一组科学家首次提出了量子材料中自旋集体激发(称为手性引力子模式(CGM))的实验证据，这可能是一项革命性的发现。
在量子领域寻找引力子
CGM 似乎与引力子类似，引力子是一种假设的基本粒子，被认为会产生引力，而引力是宇宙中的基本力之一。
尽管引力子在我们理解宇宙中发挥着至关重要的作用，但引力子尚未被发现，引力的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弥合量子力学和爱因斯坦相对论之间的差距，解决物理学中的一个重大难题并扩大我们对宇宙的理解。
“我们的实验标志着自 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首次对引力子概念进行了实验证实，”前哥伦比亚大学博士后、该论文的资深作者杜凌杰说。
在分数量子霍尔效应液体中发现 CGM
研究小组在一种称为分数量子霍尔效应(FQHE)液体的凝聚态物质中发现了这种粒子。
这些液体是强相互作用电子的系统，在高磁场和低温下以二维方式发生。
从理论上讲，它们可以使用量子几何来描述，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 中的电子受到量子度量的影响，预计该量子度量会响应光而产生 CGM。
然而，自从首次提出 FQHE 的量子度量理论以来的十年里，测试其预测的实验技术有限。
建立在量子研究遗产的基础上
已故哥伦比亚物理学家 Aron Pinczuk 将其职业生涯的大部分时间用于研究 FQHE 液体的奥秘，并开发实验工具来探测此类复杂的量子系统。
他的实验室和世界各地的校友延续了他的遗产，包括文章作者刘子宇、杜凌杰和乌苏拉·沃斯特鲍尔。
“阿伦开创了研究物质奇异相的方法，包括固态纳米系统中的新兴量子相，通过低位集体激发光谱作为其独特的指纹，”当前工作的合著者沃斯特鲍尔评论道。
“我真的很高兴他最后的天才提案和研究想法如此成功，现在发表在《自然》杂志上。然而，令人遗憾的是他无法与我们一起庆祝。他总是非常关注结果背后的人，”他总结道。
采用技术来揭示 CGM 特性
Pinczuk 建立的技术之一被称为低温共振非弹性散射，它测量光粒子或光子在撞击材料时如何散射，从而揭示材料的基本特性。
刘和他的合著者对该技术进行了改造，以使用圆偏振光，其中光子具有特定的自旋。
当偏振光子与像 CGM 这样也旋转的粒子相互作用时，光子自旋的符号将以比它们与其他类型的模式相互作用时更独特的方式响应而变化。
寻找量子引力子的国际合作
这篇新论文是一项国际合作成果。使用平丘克在普林斯顿大学的长期合作者制备的样品，刘和哥伦比亚大学的物理学家科里·迪恩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中进行实验，杜在中国的新实验室花了三年多的时间建造了这些设备。
他们观察到的物理性质与 CGM 的量子几何预测一致，包括它们的自旋 2 性质、基态和激发态之间的特征能隙，以及对所谓填充因子的依赖性，填充因子将系统中的电子数量与它的磁场。
将物理学子领域与 CGM 连接起来
CGM 与引力子具有这些特征，引力子是一种尚未发现的粒子，预计将在重力中发挥关键作用。
刘解释说，CGM和引力子都是量子化度量涨落的结果，其中时空结构在不同方向上被随机拉动和拉伸。
因此，该团队研究结果背后的理论有可能将物理学的两个子领域联系起来：高能物理学(在宇宙最大尺度上运行)和凝聚态物理学(研究材料以及赋予材料独特性质的原子和电子相互作用)。
“很长一段时间以来，关于在实验中可以探测多长波长的集体模式(例如 CGM)一直是个谜，”刘解释道。
“我们提供了支持量子几何预测的实验证据，”刘说。“我认为阿伦会非常自豪地看到他的技术的扩展以及对他研究了很长时间的系统的新理解，”他总结道。
继续寻找量子材料中的 CGM 和引力子
半导体材料中手性引力子模式(CGM)的突破性发现为探索引力之谜开辟了新途径。
从本质上讲，这一发现最终可能会弥合量子力学和爱因斯坦相对论之间的差距。
通过采用现有技术和跨国界合作，这个由杰出科学家组成的团队提供了第一个支持量子几何预测的实验证据。
这项研究向已故物理学家 Aron Pinczuk 的遗产致敬，并为未来可能将高能物理和凝聚态物理联系起来的研究铺平了道路，从而更深入地了解宇宙及其基本力。
这项研究由哥伦比亚大学、南京大学、普林斯顿大学和明斯特大学的专家共同完成，最新发表在著名期刊《自然》上。
