在南京大學(xué)的低溫實驗室里,一束偏振光正穿透砷化鎵量子阱,捕捉到了一種前所未有的集體激發(fā)。2024年3月,杜靈杰教授團隊宣布首次在分數(shù)量子霍爾液體中觀測到自旋2的類引力子激發(fā),這一發(fā)現(xiàn)不僅填補了量子引力實驗研究的空白,更在凝聚態(tài)物質(zhì)中開辟了探索時空本質(zhì)的新路徑。

分數(shù)量子霍爾效應(yīng)自1982年被發(fā)現(xiàn)以來,始終是凝聚態(tài)物理的圣杯級研究領(lǐng)域。當(dāng)二維電子氣在極低溫強磁場下運動時,電子間的強關(guān)聯(lián)作用會催生一種奇特的量子流體。這種流體不僅具有分數(shù)電荷的準粒子激發(fā),更蘊含著超越傳統(tǒng)費米統(tǒng)計的任意子行為。勞夫林波函數(shù)的提出,首次揭示了這種量子流體的不可壓縮性與長程量子糾纏,為理解分數(shù)量子霍爾態(tài)的拓撲序奠定了基礎(chǔ)。南京大學(xué)團隊此次聚焦的分數(shù)量子霍爾液體,其填充因子ν=1/3的特殊狀態(tài)下,電子的排列方式如同精密的量子編織,形成了一種具有分數(shù)統(tǒng)計的任意子氣體。這種狀態(tài)下的集體激發(fā)模式,成為探測量子引力現(xiàn)象的理想媒介。

引力子作為傳遞引力的量子,其自旋為2的特性早已被理論預(yù)言。然而,在微觀尺度下直接觀測引力子面臨著無法克服的技術(shù)難題。杜靈杰團隊創(chuàng)造性地將目光投向凝聚態(tài)系統(tǒng),通過模擬時空度規(guī)的漲落,在分數(shù)量子霍爾液體中找到了引力子模的等效物。實驗中,研究人員利用自主研發(fā)的極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng),在零下273.1度的極端環(huán)境下,精確測量了電子集體激發(fā)的自旋、能量與動量特征。通過巧妙設(shè)計圓偏振光的入射與散射方式,他們成功捕捉到自旋2的低能激發(fā)模式,這正是引力子模的標志性特征。這種集體激發(fā)不僅驗證了Haldane關(guān)于分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中存在引力子激發(fā)的猜想,更首次在真實系統(tǒng)中實現(xiàn)了量子引力現(xiàn)象的實驗?zāi)M。

這項成果的取得離不開實驗技術(shù)的重大突破。團隊自主設(shè)計的散射系統(tǒng)集成了He3-He4稀釋制冷技術(shù),能夠在接近絕對零度的環(huán)境中穩(wěn)定運行,捕捉到最低達10GHz的微弱激發(fā)信號。同時,通過精確控制入射光的自旋態(tài),研究人員成功區(qū)分了不同激發(fā)模式的自旋屬性,為確認引力子模的存在提供了關(guān)鍵證據(jù)。在砷化鎵量子阱的制備過程中,團隊通過精確調(diào)控電子濃度與磁場強度,成功營造出分數(shù)量子霍爾液體所需的極端條件。這種人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計,如同在微觀世界搭建了一個可控的"量子引力實驗室",使復(fù)雜的理論預(yù)言得以在實驗室中驗證。

這一發(fā)現(xiàn)的科學(xué)價值遠超凝聚態(tài)物理范疇。它首次在真實物質(zhì)系統(tǒng)中展示了引力子模的量子行為,為量子引力理論提供了全新的實驗驗證平臺。通過研究分數(shù)量子霍爾液體中的集體激發(fā),科學(xué)家有望深入理解時空曲率的量子漲落、引力場的量子化機制等核心問題。對凝聚態(tài)物理而言,引力子模的發(fā)現(xiàn)開辟了幾何視角研究強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的新方向。研究表明,這種激發(fā)模式與分數(shù)量子霍爾態(tài)的非阿貝爾統(tǒng)計密切相關(guān),為實現(xiàn)基于拓撲序的量子計算提供了新的可能性。此外,實驗中觀測到的量子度規(guī)漲落現(xiàn)象,為理解高溫超導(dǎo)、量子自旋液體等復(fù)雜現(xiàn)象提供了重要線索。

盡管取得了突破性進展,科學(xué)家仍面臨諸多挑戰(zhàn)。如何將分數(shù)量子霍爾系統(tǒng)中的引力子模與真實時空的引力現(xiàn)象建立更直接的聯(lián)系,是理論物理學(xué)家亟待解決的問題。同時,實驗技術(shù)的進一步優(yōu)化將推動對更高自旋模式、更復(fù)雜量子態(tài)的探索。這項研究的影響正在向多個領(lǐng)域擴散。在天體物理領(lǐng)域,分數(shù)量子霍爾系統(tǒng)中的集體激發(fā)可能為理解早期宇宙的量子漲落提供微觀模型;在量子信息領(lǐng)域,引力子模的獨特性質(zhì)或可用于構(gòu)建新型量子比特。正如杜靈杰教授所言:"我們在實驗室中創(chuàng)造的量子流體,或許正是宇宙早期量子時空的一個縮影。"

當(dāng)人類首次在凝聚態(tài)物質(zhì)中捕捉到類引力子的漣漪時,我們不僅看到了量子世界的奇妙景象,更觸摸到了連接微觀與宏觀、量子與引力的神秘紐帶。這項發(fā)現(xiàn)不僅是中國科學(xué)家在量子科技領(lǐng)域的里程碑,更是人類探索宇宙終極奧秘的重要一步。未來,隨著實驗技術(shù)的進步與理論研究的深入,這些微觀世界的"引力子模"或?qū)⒔议_時空量子化的神秘面紗,為物理學(xué)的大一統(tǒng)理論奠定基石。

來源: 桂粵科普