在南京大學的低溫實驗室里，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。2024年3月，杜靈杰教授團隊宣布首次在分數量子霍爾液體中觀測到自旋2的類引力子激發，這一發現不僅填補了量子引力實驗研究的空白，更在凝聚態物質中開辟了探索時空本質的新路徑。

分數量子霍爾效應自1982年被發現以來，始終是凝聚態物理的圣杯級研究領域。當二維電子氣在極低溫強磁場下運動時，電子間的強關聯作用會催生一種奇特的量子流體。這種流體不僅具有分數電荷的準粒子激發，更蘊含著超越傳統費米統計的任意子行為。勞夫林波函數的提出，首次揭示了這種量子流體的不可壓縮性與長程量子糾纏，為理解分數量子霍爾態的拓撲序奠定了基礎。南京大學團隊此次聚焦的分數量子霍爾液體，其填充因子ν=1/3的特殊狀態下，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統計的任意子氣體。這種狀態下的集體激發模式，成為探測量子引力現象的理想媒介。

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難題。杜靈杰團隊創造性地將目光投向凝聚態系統，通過模擬時空度規的漲落，在分數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的極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統，在零下273.1度的極端環境下，精確測量了電子集體激發的自旋、能量與動量特征。通過巧妙設計圓偏振光的入射與散射方式，他們成功捕捉到自旋2的低能激發模式，這正是引力子模的標志性特征。這種集體激發不僅驗證了Haldane關于分數量子霍爾效應中存在引力子激發的猜想，更首次在真實系統中實現了量子引力現象的實驗模擬。

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

這一發現的科學價值遠超凝聚態物理范疇。它首次在真實物質系統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。通過研究分數量子霍爾液體中的集體激發，科學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。對凝聚態物理而言，引力子模的發現開辟了幾何視角研究強關聯系統的新方向。研究表明，這種激發模式與分數量子霍爾態的非阿貝爾統計密切相關，為實現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漲落現象，為理解高溫超導、量子自旋液體等復雜現象提供了重要線索。

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

當人類首次在凝聚態物質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。這項發現不僅是中國科學家在量子科技領域的里程碑，更是人類探索宇宙終極奧秘的重要一步。未來，隨著實驗技術的進步與理論研究的深入，這些微觀世界的"引力子模"或將揭開時空量子化的神秘面紗，為物理學的大一統理論奠定基石。

來源: 桂粵科普