Forskere finder det første eksperimentelle bevis for en gravitonlignende partikel i et kvantemateriale

Et team af videnskabsmænd fra Columbia, Nanjing University, Princeton og University of Munster, skriver i tidsskriftet Nature , har præsenteret det første eksperimentelle bevis på kollektive excitationer med spin kaldet chiral graviton modes (CGM'er) i et halvledende materiale.

En CGM ser ud til at ligne en graviton, en endnu ikke-opdaget elementarpartikel, der er bedre kendt i højenergi kvantefysik for hypotetisk at give anledning til tyngdekraften, en af ​​de grundlæggende kræfter i universet, hvis ultimative årsag forbliver mystisk.

Evnen til at studere gravitonlignende partikler i laboratoriet kunne hjælpe med at udfylde kritiske huller mellem kvantemekanik og Einsteins relativitetsteorier, løse et stort dilemma i fysik og udvide vores forståelse af universet.

"Vores eksperiment markerer den første eksperimentelle underbygning af dette begreb om gravitoner, fremsat af banebrydende værker inden for kvantetyngdekraft siden 1930'erne, i et kondenseret stofsystem," sagde Lingjie Du, en tidligere Columbia postdoc og seniorforfatter på papiret.

Holdet opdagede partiklen i en type kondenseret stof kaldet en fraktionel kvante Hall-effekt (FQHE) væske. FQHE-væsker er et system af stærkt interagerende elektroner, der forekommer i to dimensioner ved høje magnetfelter og lave temperaturer. De kan teoretisk beskrives ved hjælp af kvantegeometri, nye matematiske begreber, der gælder for de minimale fysiske afstande, hvor kvantemekanikken påvirker fysiske fænomener.

Elektroner i en FQHE er underlagt det, der er kendt som en kvantemetrik, der var blevet forudsagt at give anledning til CGM'er som reaktion på lys. Men i det årti, siden den kvantemetriske teori først blev foreslået for FQHE'er, eksisterede begrænsede eksperimentelle teknikker til at teste dens forudsigelser.

I en stor del af sin karriere studerede Columbia-fysikeren Aron Pinczuk mysterierne bag FQHE-væsker og arbejdede på at udvikle eksperimentelle værktøjer, der kunne undersøge sådanne komplekse kvantesystemer. Pinczuk, der kom til Columbia fra Bell Labs i 1998 og var professor i fysik og anvendt fysik, døde i 2022, men hans laboratorium og dets alumner over hele kloden har fortsat hans arv. Disse alumner omfatter artikelforfatterne Ziyu Liu, som dimitterede med sin ph.d. i fysik fra Columbia sidste år, og tidligere Columbia postdocs Du, nu ved Nanjing University, og Ursula Wurstbauer, nu ved University of Münster.

"Aron var banebrydende for tilgangen til at studere eksotiske faser af stof, herunder emergent kvantefaser i faststof-nanosystemer, ved de lavtliggende kollektive excitationsspektre, der er deres unikke fingeraftryk," kommenterede Wurstbauer, en medforfatter til det aktuelle arbejde.

"Jeg er virkelig glad for, at hans sidste geniale forslag og forskningsidé var så vellykket og nu er udgivet i Nature . Det er dog trist, at han ikke kan fejre det sammen med os. Han satte altid et stærkt fokus på menneskerne bag resultaterne."

En af de teknikker Pinczuk etablerede blev kaldt lavtemperatur resonant uelastisk spredning, som måler, hvordan lyspartikler eller fotoner, spredes, når de rammer et materiale, og dermed afslører materialets underliggende egenskaber.

Liu og hans medforfattere på papiret tilpassede teknikken til at bruge det, der er kendt som cirkulært polariseret lys, hvor fotonerne har et bestemt spin. Når de polariserede fotoner interagerer med en partikel som en CGM, der også spinder, vil tegnet på fotonernes spin ændre sig som reaktion på en mere karakteristisk måde, end hvis de interagerer med andre typer tilstande.

Det nye papir var et internationalt samarbejde. Ved hjælp af prøver udarbejdet af Pinczuks mangeårige samarbejdspartnere ved Princeton, gennemførte Liu og Columbia fysiker Cory Dean en række målinger i Columbia. De sendte derefter prøven til eksperimenter i lavtemperaturoptisk udstyr, som Du brugte over tre år på at bygge i sit nye laboratorium i Kina.

De observerede fysiske egenskaber i overensstemmelse med dem, der var forudsagt af kvantegeometrien for CGM'er, herunder deres spin-2-natur, karakteristiske energigab mellem dets jord- og exciterede tilstande og afhængighed af såkaldte fyldningsfaktorer, som relaterer antallet af elektroner i systemet til dets magnetfelt.

CGM'er deler disse egenskaber med gravitoner, en stadig uopdaget partikel, der forudsiges at spille en kritisk rolle i tyngdekraften. Både CGM'er og gravitoner er resultatet af kvantificerede metriske fluktuationer, forklarede Liu, hvor rumtidens stof trækkes tilfældigt og strækkes i forskellige retninger.

Teorien bag holdets resultater kan derfor potentielt forbinde to underområder af fysik:højenergifysik, som opererer på tværs af universets største skalaer, og kondenseret stoffysik, som studerer materialer og de atomare og elektroniske interaktioner, der giver dem deres unikke egenskaber.

I fremtidigt arbejde siger Liu, at teknikken med polariserede lys skal være ligetil at anvende på FQHE-væsker ved højere energiniveauer, end de udforskede i det aktuelle papir. Det bør også gælde for yderligere typer kvantesystemer, hvor kvantegeometri forudsiger unikke egenskaber fra kollektive partikler, såsom superledere.

"I lang tid var der dette mysterium om, hvor lange bølgelængde kollektive tilstande, som CGM'er, kunne undersøges i eksperimenter. Vi leverer eksperimentelle beviser, der understøtter kvantegeometri forudsigelser," sagde Liu. "Jeg tror, ​​Aron ville være meget stolt af at se denne udvidelse af hans teknikker og nye forståelse af et system, han havde studeret i lang tid."

Flere oplysninger: Jiehui Liang et al., Evidens for chirale gravitontilstande i fraktioneret kvante Hall-væsker, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07201-w

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Columbia University Quantum Initiative