研究人员在量子材料中发现了类似引力子的粒子的第一个实验证据

来自哥伦比亚大学、南京大学、普林斯顿大学和明斯特大学的一组科学家在 《自然》杂志上撰文，提出了半导体材料中称为手性引力子模式（CGM）的自旋集体激发的第一个实验证据。CGM似乎类似于引力子，引力子是一种尚未被发现的基本粒子，在高能量子物理学中更为人所知，因为它假设会产生引力，引力是宇宙中的基本力之一，其最终原因仍然是神秘的。

在实验室中研究类引力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空白，解决物理学中的一个重大难题，并扩大我们对宇宙的理解。

“我们的实验标志着引力子概念的首次实验证实，自1930年代以来，量子引力的开创性工作在凝聚态系统中提出，”前哥伦比亚大学博士后，该论文的资深作者Lingjie Du说。

该团队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液体是一种强相互作用电子系统，在高磁场和低温下以二维形式出现。从理论上讲，它们可以用量子几何学来描述，量子几何学是新兴的数学概念，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，该量子度量被预测会响应光而产生CGM。然而，自量子度量理论首次被提出用于FQHE以来的十年中，存在有限的实验技术来测试其预测。

在他职业生涯的大部分时间里，哥伦比亚大学物理学家阿伦·平丘克（Aron Pinczuk）研究了FQHE液体的奥秘，并致力于开发可以探测如此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，曾担任物理学和应用物理学教授，于2022年去世，但他的实验室及其全球校友继承了他的遗产。这些校友包括文章作者刘子瑜（去年毕业于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（Ursula Wurstbauer），现就职于明斯特大学。

“Aron开创了研究物质奇异相的方法，包括固态纳米系统中的涌现量子相，通过低洼的集体激发光谱，这是它们独特的指纹，”Wurstbauer评论道，他是当前工作的合著者。“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，他不能和我们一起庆祝。他总是非常关注结果背后的人。

Pinczuk建立的其中一项技术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。Liu和他的合著者在 《自然》 杂志上采用了这种技术，以使用所谓的圆偏振光，其中光子具有特定的自旋。当偏振光子与同样旋转的粒子（如CGM）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发生变化。

这篇发表在《自然》杂志上的新论文是一项国际合作。利用Pinczuk在普林斯顿的长期合作者准备的样本，刘和哥伦比亚大学物理学家Cory Dean在哥伦比亚大学完成了一系列测量。然后，他们将样品送往低温光学设备进行实验，杜在中国的新实验室中花了三年多的时间建造这些设备。他们观察到的物理性质与量子几何学预测的CGM一致，包括它们的自旋-2性质，其基态和激发态之间的特征能隙，以及对所谓的填充因子的依赖性，这些填充因子将系统中的电子数量与其磁场联系起来。

CGM与引力子具有这些特征，引力子是一种尚未被发现的粒子，预计在引力中起着关键作用。Liu解释说，CGM和引力子都是量化度量涨落的结果，其中时空结构被随机拉扯和拉伸到不同的方向。因此，该团队结果背后的理论可以潜在地将物理学的两个子领域联系起来：高能物理学，它在宇宙的最大尺度上运作，以及凝聚态物理学，研究材料以及赋予它们独特性质的原子和电子相互作用。

在未来的工作中，Liu说，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，量子几何学预测了集体粒子（如超导体）的独特性质。

“很长一段时间以来，关于在实验中可以探测多长波长的集体模式（如CGM）一直存在着一个谜团。我们提供了支持量子几何预测的实验证据，“刘说。“我认为阿隆会非常自豪地看到他的技术得到这种扩展，并对他研究了很长时间的系统有了新的理解。

阅读更多： Jiehui Liang， Ziyu Liu， et al.分数量子霍尔液体中手性引力子模式的证据。 自然 2024。DOI：10.1038/s41586-024-07201-w