近日，南京大學(xué)物理學(xué)院杜靈杰教授領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊利用極端條件下的偏振光散射技術(shù)，在砷化鎵量子阱中對分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的集體激發(fā)進(jìn)行了測量，在世界上首次觀察到引力子激發(fā)，即引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的新奇準(zhǔn)粒子。相關(guān)研究發(fā)表于3月28日的國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

引力子的研究，一直是物理學(xué)研究的終極問題之一。近年來，有理論物理學(xué)家提出，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中可能存在著引力子激發(fā)，也被稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子。

“引力子激發(fā)是凝聚態(tài)物質(zhì)中的一種準(zhǔn)粒子或者集體激發(fā)現(xiàn)象，它具有引力子特征，但不是一種真正的粒子。”論文的通訊作者、南大教授杜靈杰告訴科技日報記者，引力子激發(fā)作為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)幾何理論的重要結(jié)論，對凝聚態(tài)物理有著非常重要的意義。但遺憾的是，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子，像是一個謎一樣的存在，人們此前一直沒有發(fā)現(xiàn)。

2019年，杜靈杰團(tuán)隊在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了一種新的集體激發(fā)，這一結(jié)果隨即被理論物理學(xué)家們認(rèn)為可能是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子，并提出了檢測該引力子的關(guān)鍵自旋測量方案。

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圓偏振光測量引力子激發(fā)

尋找分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子，成為杜靈杰團(tuán)隊新的目標(biāo)。他們花費3年多時間，在南大自主設(shè)計、組裝了一臺極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。該系統(tǒng)像一個特殊的“望遠(yuǎn)鏡”，有兩層樓高，可以在零下273.1攝氏度下，捕捉到最低達(dá)10G赫茲的微弱激發(fā)現(xiàn)象，并判斷其自旋。

“依靠這一利器，我們在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中成功觀測到分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子。團(tuán)隊通過共振非彈性光散射，測量到了最低能量長波集體激發(fā)，并通過改變?nèi)肷浜蜕⑸涔獾淖孕�，觀察到該激發(fā)具有自旋2的特性�！倍澎`杰說，這些結(jié)果從自旋、動量和能量角度充分提供了引力子激發(fā)的實驗證據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)，是引力子這一概念被提出以來，首次在實驗上發(fā)現(xiàn)具有引力子特征的準(zhǔn)粒子。實驗結(jié)果為在凝聚態(tài)系統(tǒng)中研究量子引力相關(guān)物理開辟了新的視野，為拓?fù)淞孔佑嬎愕姆謹(jǐn)?shù)態(tài)波函數(shù)驗證奠定了實驗基礎(chǔ)，開辟了拓?fù)潢P(guān)聯(lián)物態(tài)幾何效應(yīng)實驗研究的新方向。