Свет, исследующий киральную гравитонную моду в жидкости с дробным квантовым эффектом Холла.
Фото: Линцзе Ду, Нанкинский университет.

CGM, по-видимому, похожа на гравитон, еще не открытую элементарную частицу, более известную в квантовой физике высоких энергий тем, что гипотетически порождает гравитацию, одну из фундаментальных сил во Вселенной, конечная причина которой остается загадочной.

Возможность изучать гравитоноподобные частицы в лаборатории может помочь заполнить критические пробелы между квантовой механикой и теориями относительности Эйнштейна, решить главную дилемму в физике и расширить наше понимание Вселенной.

«Наш эксперимент знаменует собой первое экспериментальное обоснование концепции гравитонов, выдвинутой новаторскими работами в области квантовой гравитации с 1930-х годов, в системе конденсированного вещества», — сказал Линцзе Ду, бывший постдок из Колумбийского университета и старший автор статьи.

Команда обнаружила частицу в типе конденсированного вещества, называемом жидкостью с дробным квантовым эффектом Холла (FQHE). Жидкости FQHE представляют собой систему сильно взаимодействующих электронов, которые возникают в двух измерениях в сильных магнитных полях и низких температурах. Их можно теоретически описать с помощью квантовой геометрии — новых математических концепций, применимых к мельчайшим физическим расстояниям, на которых квантовая механика влияет на физические явления.

Электроны в ДКЭХ подчиняются так называемой квантовой метрике, которая, как было предсказано, приводит к образованию CGM в ответ на свет. Однако за десять лет, прошедших с тех пор, как квантово-метрическая теория была впервые предложена для FQHE, существовали ограниченные экспериментальные методы для проверки ее предсказаний.

Большую часть своей карьеры физик из Колумбийского университета Арон Пинчук изучал тайны жидкостей с FQHE и работал над разработкой экспериментальных инструментов, которые могли бы исследовать такие сложные квантовые системы. Пинчук, который пришел в Колумбийский университет из Bell Labs в 1998 году и был профессором физики и прикладной физики, скончался в 2022 году, но его лаборатория и ее выпускники по всему миру продолжили его дело. В число этих выпускников входят авторы статей Цзию Лю, получивший докторскую степень по физике из Колумбийского университета в прошлом году, а также бывшие постдоки Колумбийского университета Ду, сейчас работающий в Нанкинском университете, и Урсула Вурстбауэр, сейчас работающая в Мюнстерском университете.

«Арон был пионером в подходе к изучению экзотических фаз материи, включая возникающие квантовые фазы в твердотельных наносистемах, с помощью низколежащих спектров коллективного возбуждения, которые являются их уникальными отпечатками пальцев», — прокомментировал Вурстбауэр, соавтор текущей работы.

«Я искренне рад, что его последнее гениальное предложение и исследовательская идея оказались настолько успешными и теперь опубликованы в журнале Nature. Однако грустно, что он не может отпраздновать это вместе с нами. Он всегда уделял большое внимание людям, стоящим за результатами».

Гравитонные моды и неупругое рассеяние света.
Фото: Природа (2024 г.). DOI: 10.1038/s41586-024-07201-w

Один из методов, разработанных Пинчуком, назывался низкотемпературным резонансным неупругим рассеянием. Он измеряет, как частицы света, или фотоны, рассеиваются при попадании на материал, тем самым раскрывая основные свойства материала.

Лю и его соавторы статьи адаптировали эту технику для использования так называемого циркулярно поляризованного света, в котором фотоны имеют определенный спин. Когда поляризованные фотоны взаимодействуют с частицей, такой как CGM, которая также вращается, знак спина фотонов будет меняться в ответ более отчетливо, чем если бы они взаимодействовали с другими типами мод.

Новая газета стала результатом международного сотрудничества. Используя образцы, подготовленные давними сотрудниками Пинчука в Принстоне, Лю и физик из Колумбийского университета Кори Дин завершили серию измерений в Колумбийском университете. Затем они отправили образец для экспериментов с низкотемпературным оптическим оборудованием, которое Ду потратил более трех лет на создание в своей новой лаборатории в Китае.

Они наблюдали физические свойства, соответствующие предсказаниям квантовой геометрии для CGM, включая их природу со спином 2, характерные энергетические зазоры между основным и возбужденным состояниями, а также зависимость от так называемых факторов заполнения, которые связывают количество электронов в системе с его магнитным полем.

CGM разделяют эти характеристики с гравитонами, еще не открытой частицей, которая, по прогнозам, будет играть решающую роль в гравитации. И CGM, и гравитоны являются результатом квантованных метрических флуктуаций, объяснил Лю, при которых ткань пространства-времени беспорядочно растягивается и растягивается в разных направлениях.

Таким образом, теория, лежащая в основе результатов команды, потенциально может объединить две области физики: физику высоких энергий, которая работает в самых больших масштабах Вселенной и физику конденсированного состояния, что изучает материалы, а также атомные и электронные взаимодействия, придающие им уникальные свойства.

Лю говорит, что в будущей работе метод поляризованного света будет легко применить к жидкостям FQHE на более высоких энергетических уровнях, чем они исследовали в текущей статье. Это также должно применяться к дополнительным типам квантовых систем, где квантовая геометрия предсказывает уникальные свойства коллективных частиц, таких как сверхпроводники.

«Долгое время вопрос о том, как длинноволновые коллективные моды, такие как CGM, можно исследовать в экспериментах, оставался загадкой. Мы предоставляем экспериментальные данные, подтверждающие предсказания квантовой геометрии», — сказал Лю. «Я думаю, Арон был бы очень горд увидеть такое расширение своих методов и новое понимание системы, которую он изучал в течение долгого времени».