研究人员首次在量子材料中发现了类引力子粒子的实验证据

诸平

Light probing a chiral graviton mode in a fractional quantum Hall effect liquid. Credit: Lingjie Du, Nanjing University

Have we spotted hints of gravitons? zf L/Getty Images 

据美国哥伦比亚大学（Columbia University, New York, NY, USA）2024年3月28日提供的消息，来自哥伦比亚大学、中国南京大学（Nanjing University, Nanjing, China）、中国南京大学苏州校区（Suzhou Campus of Nanjing University, Suzhou, China）、美国普林斯顿大学（Princeton University, Princeton, NJ, USA）和德国明斯特大学（University of Münster, Münster, Germany）的一组科学家在《自然》（Nature）杂志上发表文章，首次在半导体材料中展示了被称为手性引力子模式(chiral graviton modes简称CGMs)的自旋集体激发的实验证据（Researchers find first experimental evidence for a graviton-like particle in a quantum material）。2024年3月27日在《自然》（Nature）杂志网站已经发表的文章详见：Jiehui Liang, Ziyu Liu, Zihao Yang, Yuelei Huang, Ursula Wurstbauer, Cory R. Dean, Ken W. West, Loren N. Pfeiffer, Lingjie Du, Aron Pinczuk. Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall liquids. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07201-w. Published: 27 March 2024. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07201-w

CGM似乎类似于引力子(graviton)，引力子是一种尚未被发现的基本粒子（elementary particle），在高能量子物理学中更为人所知，它被假设为引力的产生，引力是宇宙中最基本的力量之一，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（quantum mechanics）和爱因斯坦相对论之间的关键空白，解决物理学中的一个主要困境，扩大我们对宇宙的理解。

“我们的实验标志着引力子概念的第一次实验证实，自20世纪30年代以来，量子引力（quantum gravity）的开创性工作在凝聚态系统中提出了这个概念，”前哥伦比亚大学博士后、该论文的共同通讯作者杜灵杰（Lingjie Du）说。

研究小组在一种称为分数量子霍尔效应(fractional quantum Hall effect简称FQHE)液体的凝聚态物质中发现了这种粒子。

FQHE液体（FQHE liquids）是一种在高磁场和低温（low temperatures）下二维发生强烈相互作用的电子系统。它们可以用量子几何（quantum geometry）理论来描述，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微小物理距离。

FQHE中的电子受到所谓的量子度规（quantum metric）的影响，这种量子度规被预测会在对光的响应中产生CGMs。然而，自量子度量理论（quantum metric theory）首次被提出用于FQHEs以来的十年里，用于验证其预测的实验技术有限。

哥伦比亚大学物理学家阿伦·平祖克(Aron Pinczuk)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这种复杂量子系统的实验工具。

阿伦·平祖克于1998年从贝尔实验室（Bell Labs）加入哥伦比亚大学，是物理学和应用物理学教授，他于2022年去世，但他的实验室及其全球校友继承了他的遗产。这些校友包括上述论文作者刘子瑜（Ziyu Liu音译），他去年从哥伦比亚大学获得物理学博士学位，还有前哥伦比亚大学博士后杜灵杰，现在在南京大学，以及乌苏拉·沃斯特鲍尔（Ursula Wurstbauer），现在在明斯特大学。

“阿伦·平祖克开创了研究物质奇异相（exotic phases）的方法，包括固态纳米系统中的新兴量子相（emergent quantum phases），通过低洼的集体激发光谱（low-lying collective excitation spectra）作为它们独特的指纹，”上述论文的合著者乌苏拉·沃斯特鲍尔评论道。

“我真的很高兴他最后的天才提议和研究想法如此成功，现在发表在《自然》（Nature）杂志上。然而，令人遗憾的是，他不能和我们一起庆祝。他总是把重点放在结果背后的人身上。”

阿伦·平祖克建立的一种技术被称为低温共振非弹性散射（low-temperature resonant inelastic scattering），它测量光粒子或光子在撞击材料时如何散射，从而揭示材料的潜在特性。

刘子瑜和他的合著者在论文中调整了这项技术，使用了所谓的圆偏振光（circularly polarized light），其中光子具有特定的自旋。当偏振光子与同样自旋的粒子(如CGM)相互作用时，光子自旋的标志将以一种比它们与其他模式相互作用时更独特的方式发生变化。

这篇新论文是国际合作的成果。利用阿伦·平祖克在普林斯顿大学的长期合作者准备的样品，刘子瑜和哥伦比亚大学的物理学家科里·迪恩（Cory R. Dean）在哥伦比亚大学完成了一系列测量。然后，他们将样品送到杜灵杰在中国新建是实验室进行实验。此实验室是杜灵杰花了三年多时间，在中国新建造的低温光学设备（low-temperature optical equipment）实验室。

他们观察到的物理特性与量子几何预测的CGMs一致，包括它们的自旋-2性质，基态和激发态之间的特征能量间隙，以及对所谓的填充因子（filling factors）的依赖，填充因子将系统中的电子数量与磁场联系起来。

CGMs和引力子有相同的特征，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。刘子瑜解释说，CGMs和引力子都是量子化度规波动（quantized metric fluctuations）的结果，在这种波动中，时空的结构被随机地拉向不同的方向。

因此，此研究团队结果背后的理论可以潜在地连接物理学的两个子领域:即高能物理学（high energy physics）和凝聚态物理学（condensed matter physics）。高能物理学，它在宇宙的最大尺度上运作；而凝聚态物理学，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。

刘子瑜说，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。它也应该适用于其他类型的量子系统，其中量子几何预测了集体粒子的独特性质，比如超导体。

“很长一段时间以来，人们一直对实验中如何探测像CGMs这样的长波集体模式（long wavelength collective modes）感到困惑。我们提供了支持量子几何预测的实验证据。我认为阿伦·平祖克会非常自豪地看到他的技术得到了扩展，并对他研究了很长时间的系统有了新的理解。”

此研究得到了中国国家自然科学基金(National Natural Science Foundation of China Grant No. 12074177)、量子科学与技术创新计划(Innovation Program for Quantum Science and Technology Grant No. 2021ZD0302600)、江苏省创新人才创业计划（Program for Innovative Talents and Entrepreneur in Jiangsu）、南京大学创业基金（start-up funding of Nanjing University）的资助。在美国哥伦比亚大学的相关工作得到了美国国家科学基金会材料研究部资助（National Science Foundation, Division of Materials Research under Grant DMR-2103965）。在美国普林斯顿大学的研究部分由戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS计划资助（Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative, Grant GBMF9615.01）。还有来自德国科学基金会（German Science Foundation under Grants WU 637/7−1 and 7-2）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

物理学家组织网（phys.org）：Researchers find first experimental evidence for a graviton-like particle in a quantum material (2024, March 28) retrieved 30 March 2024 from https://phys.org/news/2024-03-experimental-evidence-graviton-particle-quantum.html

《新科学家》（New Scientist）杂志网站：Karmela Padavic-Callaghan. We've glimpsed something that behaves like a particle of gravity. New Scientist, 27 March 2024.

中国网（China.org）Chinese scientists find first experimental evidence of graviton-like particle

中国日报网: Nature发表南京大学杜灵杰团队最新成果：实验上首次发现引力子激发(2024-03-28 15:34).

Abstract

Exotic physics could emerge from interplay between geometry and correlation. In fractional quantum Hall (FQH) states¹, novel collective excitations called chiral graviton modes (CGMs) are proposed as quanta of fluctuations of an internal quantum metric under a quantum geometry description^2,3,4,5. Such modes are condensed-matter analogues of gravitons that are hypothetical spin-2 bosons. They are characterized by polarized states with chirality^6,7,8 of +2 or −2, and energy gaps coinciding with the fundamental neutral collective excitations (namely, magnetorotons^9,10) in the long-wavelength limit. However, CGMs remain experimentally inaccessible. Here we observe chiral spin-2 long-wavelength magnetorotons using inelastic scattering of circularly polarized lights, providing strong evidence for CGMs in FQH liquids. At filling factor v=1/3, a gapped mode identified as the long-wavelength magnetoroton emerges under a specific polarization scheme corresponding to angular momentum S=−2, which persists at extremely long wavelength. Remarkably, the mode chirality remains −2 at v=2/5 but becomes the opposite at v=2/3 and 3/5. The modes have characteristic energies and sharp peaks with marked temperature and filling-factor dependence, corroborating the assignment of long-wavelength magnetorotons. The observations capture the essentials of CGMs and support the FQH geometrical description, paving the way to unveil rich physics of quantum metric effects in topological correlated systems.