在量子实验中寻找类引力子粒子

光利用量子霍尔效应测试液体中的手性引力子模式。 资料来源：杜令杰，南京大学

这些发现延续了已故哥伦比亚大学教授亚伦·平丘克的遗产，是朝着更好地理解重力迈出的一步。

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科学家团队在该杂志上撰文 自然他们为半导体材料中称为手性引力子模式（CGM）的自旋集体激发提供了第一个实验证据。

CGM 似乎类似于引力子，这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，其最终原因仍然是神秘。

连接理论物理和实验现实

在实验室中研究类引力子粒子的能力可以帮助弥合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。

哥伦比亚大学前博士后研究员、该论文的资深作者杜凌杰说：“我们的实验代表了引力子概念的第一个实验证明，这是自 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提出的假设。”

量子度量及其预测

研究小组在一种称为分数量子霍尔效应（FQHE）流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。 它可以使用量子几何在理论上进行描述，量子几何是新兴的数学概念，适用于量子力学影响物理现象的精确物理距离。

FQHE 中的电子经历了所谓的量子尺度，预计会响应光而产生 CGM。 然而，自 FQHE 量子测量理论首次提出以来的十年间，测试其预测的实验技术非常有限。

亚伦·平丘克的遗产：开创性的量子研究

哥伦比亚大学物理学家 Aaron Pinchuk 在其职业生涯的大部分时间里都在研究 FQHE 流体的奥秘，并致力于开发能够探索此类复杂量子系统的实验工具。 平丘克于 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，但他的实验室和世界各地的校友延续了他的遗产。 这些校友包括文章作者刘秀（去年从哥伦比亚大学获得物理学博士学位）、前哥伦比亚大学博士后研究员杜、现就职于南京大学的杜和现就职于南京大学的乌苏拉·福斯特鲍尔（Ursula Forstbauer）。 明斯特大学。

“亚伦开创了研究奇异物质相的方法，包括固态纳米系统中出现的量子相，通过代表其独特特征的低质量激发光谱，”当前工作的合著者福斯特鲍尔评论道。 “我真的很高兴他最新的天才建议和研究想法如此成功，现已发表在 自然。 但遗憾的是他不能和我们一起庆祝。 他始终高度关注成果背后的人。

量子物理学的创新技术

平丘克发明的一项技术被称为低温非弹性共振散射，它可以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。

刘和他的合著者 自然 一篇研究论文修改了这项技术，使用所谓的圆偏振光，其中光子具有一定的自旋。 当偏振光子与同样旋转的 CGM 等粒子相互作用时，光子的自旋信号将以比与其他类型模式相互作用时更明显的方式响应而变化。

国际合作与量子工程

新论文在 自然 这是国际合作。 使用平丘克在普林斯顿大学的长期合作者制备的样本，物理学家科里·迪恩·刘和哥伦比亚大学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上进行实验，杜在中国的新实验室花了三年多的时间建造了这些设备。 他们观察到的物理特性与量子工程为连续观察者预测的物理特性一致，包括自旋 2 的性质、其基态和激发态之间的明显能隙，以及对所谓填充因子的依赖性，填充因子与电子数量有关。一个系统到它的磁场。

理论意义和未来方向

CGM 与引力子具有这些特性，引力子是一种尚未发现的粒子，预计将在引力中发挥至关重要的作用。 刘解释说，CGM 和引力子都是量子度量涨落的结果，时空结构在不同方向上被随机拉动和拉伸。 因此，该团队的发现背后的理论可以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起作用；凝聚态物理学，它研究材料以及赋予它们独特性质的原子和电子相互作用。 。

Liu 表示，在未来的工作中，偏振光技术应该很容易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，其中量子工程预测集体粒子的独特性质，例如超导体。

“长期以来，对于 CGM 等波长集体模式可以在实验中进行测试的长度一直存在模糊性。“我们正在提供支持量子工程预测的实验证据，”刘说。“我认为亚伦他会非常自豪地看到“他的技术和对他研究了这么长时间的系统的新理解”的这种扩展。

参考文献：“分数量子霍尔流体中手性引力子模式的证据”，作者：Jihui Liang、Xiu Liu、Zihao Yang、Yueli Huang、Ursula Forstbauer、Corey R. Dean、Ken W. West、Lauren N. Pfeiffer、Lingjie Du 和 Aaron Pinczuk , 2024 年 3 月 27 日, 自然。
DOI：10.1038/s41586-024-07201-s