|
Доказательства существования гравитона
|
|
|
|
Группа ученых из Колумбийского университета, Нанкинского университета, Принстона и Университета Мюнстера в статье, опубликованной в журнале Nature, представила первые экспериментальные доказательства коллективных возбуждений со спином, называемых киральными гравитонными модами (CGM), в полупроводниковом материале. CGM, по-видимому, похож на гравитон, еще не открытую элементарную частицу, более известную в квантовой физике высоких энергий тем, что она гипотетически порождает гравитацию, одну из фундаментальных сил во Вселенной, конечная причина которой остается загадочной. Возможность изучать гравитоноподобные частицы в лабораторных условиях могла бы помочь заполнить критические пробелы между квантовой механикой и теорией относительности Эйнштейна, решив главную физическую дилемму и расширив наше понимание Вселенной. "Наш эксперимент знаменует собой первое экспериментальное подтверждение этой концепции гравитонов, основанной на новаторских работах в области квантовой гравитации, начиная с 1930-х годов, в системе конденсированных сред", - сказал Линджи Ду, бывший постдок Колумбийского университета и старший автор статьи.
|
|
|
|
Команда обнаружила частицу в конденсированном веществе, называемом жидкостью с частичным квантовым эффектом Холла (FQHE). Жидкости с частичным квантовым эффектом Холла представляют собой систему сильно взаимодействующих электронов, которые существуют в двух измерениях при высоких магнитных полях и низких температурах. Они могут быть теоретически описаны с помощью квантовой геометрии - новых математических концепций, применимых к мельчайшим физическим расстояниям, на которых квантовая механика влияет на физические явления. Электроны в FQHE подчиняются так называемой квантовой метрике, которая, как было предсказано, приводит к возникновению CGM в ответ на воздействие света. Однако в течение десятилетия, прошедшего с тех пор, как квантово-метрическая теория была впервые предложена для FQHE, существовали ограниченные экспериментальные методы проверки ее предсказаний.
|
|
|
Большую часть своей карьеры физик из Колумбийского университета Арон Пинчук изучал тайны жидкостей и работал над созданием 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 наследие. Среди этих выпускников - автор статей Цзыю Лю, получивший степень доктора философии. в прошлом году окончила Колумбийский университет по физике, а также бывший аспирант Колумбийского университета, ныне работающий в Нанкинском университете, и Урсула Вурстбауэр, ныне работающая в Мюнстерском университете. "Арон впервые применил подход к изучению экзотических фаз вещества, включая возникающие квантовые фазы в твердотельных наносистемах, с помощью 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 Nature. Однако печально, что он не может отпраздновать это вместе с нами. Он всегда уделял особое внимание людям, которые стоят за результатами". Один из методов, разработанных Пинчуком, был назван низкотемпературным резонансным неупругим рассеянием, который измеряет, как легкие частицы, или фотоны, рассеиваются при столкновении с материалом, тем самым выявляя основные свойства материала. Лю и его соавторы в своей работе адаптировали этот метод для использования так называемого света с круговой поляризацией, в котором фотоны имеют определенный спин. Когда поляризованные фотоны взаимодействуют с частицей, подобной CGM, которая также вращается, знак спина фотонов изменяется в ответ более характерным образом, чем если бы они взаимодействовали с другими типами мод. Новая статья была подготовлена в рамках международного сотрудничества. Используя образцы, подготовленные давними сотрудниками Пинчука в Принстоне, Лю и физик из Колумбийского университета Кори Дин выполнили серию измерений в Колумбийском университете. Затем они отправили образец для экспериментов с низкотемпературным оптическим оборудованием, на создание которого Ду потратил более трех лет в своей новой лаборатории в Китае.
|
|
|
|
Они наблюдали физические свойства, согласующиеся с предсказаниями квантовой геометрии для CGM, включая их природу со спином 2, характерные энергетические промежутки между основным и возбужденным состояниями и зависимость от так называемых коэффициентов заполнения, которые связывают количество электронов в системе с ее магнитным полем. CGM имеют те же характеристики, что и гравитоны, - еще не открытые частицы, которые, по прогнозам, играют важную роль в гравитации. Как CGM, так и гравитоны являются результатом квантованных флуктуаций метрики, объяснил Лю, при которых ткань пространства-времени случайным образом растягивается в разных направлениях. Таким образом, теория, лежащая в основе результатов работы команды, потенциально может объединить две области физики: физику высоких энергий, которая работает в самых широких масштабах Вселенной, и физику конденсированных сред, которая изучает материалы и атомные и электронные взаимодействия, придающие им их уникальные свойства.
|
|
|
|
Лю говорит, что в будущей работе метод поляризованного излучения будет легко применять к жидкостям с более высокими энергетическими уровнями, чем те, которые были исследованы в настоящей работе. Он также должен применяться к другим типам квантовых систем, где квантовая геометрия предсказывает уникальные свойства коллективных частиц, таких как сверхпроводники. "Долгое время оставалось загадкой, каким образом длинноволновые коллективные моды, такие как CGM, могут быть исследованы в экспериментах. 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 долгое время".
|
|
|
|
Источник
|
