Ett team av forskare från Columbia, Nanjing University, Princeton och University of Munster, skriver i tidskriften Nature , har presenterat de första experimentella bevisen för kollektiva excitationer med spinn som kallas chiral graviton modes (CGMs) i ett halvledande material.

En CGM verkar likna en graviton, en elementarpartikel som ännu inte har upptäckts, mer känd inom högenergikvantfysiken för att hypotetiskt ge upphov till gravitationen, en av de grundläggande krafterna i universum, vars yttersta orsak förblir mystisk.

Förmågan att studera gravitonliknande partiklar i labbet kan hjälpa till att fylla kritiska luckor mellan kvantmekaniken och Einsteins relativitetsteorier, lösa ett stort dilemma inom fysiken och utöka vår förståelse av universum.

"Vårt experiment markerar det första experimentella belägget för detta gravitonbegrepp, framställt av banbrytande arbeten inom kvantgravitation sedan 1930-talet, i ett system med kondenserad materia", säger Lingjie Du, tidigare postdoktor i Columbia och seniorförfattare på tidningen.

Teamet upptäckte partikeln i en typ av kondenserad materia som kallas en fraktionell kvant Hall-effekt (FQHE) vätska. FQHE-vätskor är ett system av starkt interagerande elektroner som förekommer i två dimensioner vid höga magnetfält och låga temperaturer. De kan teoretiskt beskrivas med hjälp av kvantgeometri, framväxande matematiska begrepp som gäller de minimala fysiska avstånden vid vilka kvantmekaniken påverkar fysikaliska fenomen.

Elektroner i en FQHE är föremål för vad som är känt som ett kvantmått som hade förutspåtts ge upphov till CGM som svar på ljus. Men under decenniet sedan kvantmetrik teorin först föreslogs för FQHEs, fanns begränsade experimentella tekniker för att testa dess förutsägelser.

Under stora delar av sin karriär studerade Columbia-fysikern Aron Pinczuk mysterierna med FQHE-vätskor och arbetade med att utveckla experimentella verktyg som kunde undersöka sådana komplexa kvantsystem. Pinczuk, som kom till Columbia från Bell Labs 1998 och var professor i fysik och tillämpad fysik, gick bort 2022, men hans labb och dess alumner över hela världen har fortsatt hans arv. Dessa alumner inkluderar artikelförfattarna Ziyu Liu, som tog examen med sin doktorsexamen. i fysik från Columbia förra året, och tidigare Columbia postdocs Du, nu vid Nanjing University, och Ursula Wurstbauer, nu vid University of Münster.

"Aron banade väg för att studera exotiska faser av materia, inklusive framväxande kvantfaser i solid state nanosystem, genom de lågt belägna kollektiva excitationsspektra som är deras unika fingeravtryck," kommenterade Wurstbauer, en medförfattare till det aktuella arbetet.

"Jag är verkligen glad att hans sista geniförslag och forskningsidé var så framgångsrik och nu publiceras i Nature . Det är dock tråkigt att han inte kan fira det med oss. Han satte alltid stort fokus på människorna bakom resultaten."

En av teknikerna som Pinczuk etablerade kallades lågtemperaturresonant oelastisk spridning, som mäter hur ljuspartiklar, eller fotoner, sprids när de träffar ett material och på så sätt avslöjar materialets underliggande egenskaper.

Liu och hans medförfattare på papperet anpassade tekniken för att använda det som kallas cirkulärt polariserat ljus, där fotonerna har ett speciellt spinn. När de polariserade fotonerna interagerar med en partikel som en CGM som också snurrar, kommer tecknet på fotonernas spin att ändras som svar på ett mer distinkt sätt än om de interagerar med andra typer av moder.

Den nya tidningen var ett internationellt samarbete. Med hjälp av prover framställda av Pinczuks långvariga medarbetare vid Princeton, genomförde Liu och Columbia fysikern Cory Dean en serie mätningar vid Columbia. De skickade sedan provet för experiment i lågtemperaturoptisk utrustning som Du ägnade över tre år åt att bygga i sitt nya labb i Kina.

De observerade fysikaliska egenskaper som överensstämmer med de som förutsägs av kvantgeometrin för CGM, inklusive deras spin-2-natur, karakteristiska energigap mellan dess marktillstånd och exciterade tillstånd, och beroende av så kallade fyllningsfaktorer, som relaterar antalet elektroner i systemet till dess magnetfält.

CGM:er delar dessa egenskaper med gravitoner, en fortfarande oupptäckt partikel som förutspås spela en avgörande roll i gravitationen. Både CGM och gravitoner är resultatet av kvantiserade metriska fluktuationer, förklarade Liu, där rymdtidens struktur dras slumpmässigt och sträcks i olika riktningar.

Teorin bakom teamets resultat kan därför potentiellt koppla samman två delområden av fysiken:högenergifysik, som verkar över universums största skalor, och fysik för kondenserad materia, som studerar material och de atomära och elektroniska interaktioner som ger dem deras unika egenskaper.

I framtida arbete säger Liu att tekniken för polariserat ljus borde vara enkel att tillämpa på FQHE-vätskor vid högre energinivåer än de utforskade i den aktuella artikeln. Det bör också gälla ytterligare typer av kvantsystem där kvantgeometri förutsäger unika egenskaper från kollektiva partiklar, såsom supraledare.

"Länge fanns det ett mysterium om hur långa våglängdskollektiva lägen, som CGM:er, kunde undersökas i experiment. Vi tillhandahåller experimentella bevis som stöder kvantgeometriförutsägelser", säger Liu. "Jag tror att Aron skulle vara mycket stolt över att se denna utvidgning av hans tekniker och nya förståelse för ett system som han hade studerat under lång tid."

Mer information: Jiehui Liang et al, Bevis för kirala gravitonlägen i fraktionerade kvanthallvätskor, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07201-w

Journalinformation: Natur

Tillhandahålls av Columbia University Quantum Initiative