研究人员在量子材料中发现了类引力子粒子的第一个实验证据

来自哥伦比亚大学、南京大学、普林斯顿大学和蒙斯特大学的科学家团队在《自然》杂志上发表文章，提出了半导体材料中自旋集体激发的第一个实验证据，称为手性引力子模式(CGM)。

CGM似乎类似于引力子，引力子是一种尚未发现的基本粒子，在高能量子物理学中更为人所知，因为它假设产生了引力，这是宇宙中的基本力之一，其最终原因仍然是个谜。

在实验室中研究类引力子粒子的能力可以帮助填补量子力学和爱因斯坦相对论之间的关键差距，解决物理学中的一个重大难题并扩大我们对宇宙的理解。

前哥伦比亚大学博士后、该论文的资深作者杜凌杰说：“我们的实验标志着自20世纪30年代以来量子引力领域的开创性工作在凝聚态物质系统中首次对引力子概念进行了实验证实。”

研究小组在一种称为分数量子霍尔效应(FQHE)液体的凝聚态物质中发现了这种粒子。FQHE液体是一个强相互作用电子系统，在高磁场和低温下以二维方式发生。从理论上讲，它们可以使用量子几何来描述，这是一种新兴的数学概念，适用于量子力学影响物理现象的微小物理距离。

FQHE中的电子受到所谓的量子度量的影响，预计该量子度量会响应光而产生CGM。然而，自从首次提出FQHE的量子度量理论以来的十年里，测试其预测的实验技术有限。

哥伦比亚物理学家AronPinczuk在其职业生涯的大部分时间里都在研究FQHE液体的奥秘，并致力于开发能够探测此类复杂量子系统的实验工具。Pinczuk于1998年从贝尔实验室加入哥伦比亚大学，担任物理学和应用物理学教授，于2022年去世，但他的实验室及其遍布全球的校友延续了他的遗产。这些校友包括文章作者刘子宇，他获得了博士学位。去年获得哥伦比亚大学物理学博士学位，前哥伦比亚大学博士后杜(现就职于南京大学)和乌苏拉·沃斯特鲍尔(UrsulaWurstbauer)现就职于明斯特大学。

“阿伦开创了研究物质奇异相的方法，包括固态纳米系统中的新兴量子相，通过低位集体激发光谱作为其独特的指纹，”当前工作的合著者沃斯特鲍尔评论道。

“我真的很高兴他最后的天才提案和研究想法如此成功，现在发表在《自然》杂志上。然而，令人遗憾的是他不能与我们一起庆祝。他总是非常关注结果背后的人。”

引力子模式和非弹性光散射。图片来源：《自然》(2024)。DOI：10.1038/s41586-024-07201-w

Pinczuk建立的技术之一被称为低温共振非弹性散射，它测量光粒子或光子在撞击材料时如何散射，从而揭示材料的基本特性。

刘和他在论文中的合著者对该技术进行了改造，以使用所谓的圆偏振光，其中光子具有特定的自旋。当偏振光子与像CGM这样也旋转的粒子相互作用时，光子自旋的符号将以比它们与其他类型的模式相互作用时更独特的方式响应而变化。

这篇新论文是一项国际合作成果。利用平丘克在普林斯顿大学的长期合作者制备的样品，刘和哥伦比亚大学物理学家科里·迪恩在哥伦比亚大学完成了一系列测量。然后，他们将样品发送到低温光学设备中进行实验，杜在中国的新实验室花了三年多的时间建造了这些设备。

他们观察到的物理性质与CGM的量子几何预测一致，包括它们的自旋2性质、基态和激发态之间的特征能隙，以及对所谓填充因子的依赖性，填充因子将系统中的电子数量与它的磁场。

CGM与引力子具有这些特征，引力子是一种尚未发现的粒子，预计将在重力中发挥关键作用。刘解释说，CGM和引力子都是量子化度量涨落的结果，其中时空结构在不同方向上被随机拉动和拉伸。

因此，该团队研究结果背后的理论有可能将物理学的两个子领域联系起来：高能物理学(在宇宙最大尺度上运行)和凝聚态物理学(研究材料以及赋予材料独特性质的原子和电子相互作用)。

Liu表示，在未来的工作中，偏振光技术应该可以直接应用于比当前论文中探索的更高能级的FQHE液体。它还应该适用于其他类型的量子系统，在这些系统中，量子几何学可以预测集体粒子(例如超导体)的独特性质。

“长期以来，关于在实验中可以探测多长波长的集体模式(例如CGM)一直是个谜。我们提供了支持量子几何预测的实验证据，”刘说。“我认为阿伦会非常自豪地看到他的技术的扩展以及对他研究了很长时间的系统的新理解。”