全球首次发现！南大团队在Nature发表突破性引力子研究成果
全球首次发现！南大团队在Nature发表突破性引力子研究成果
近日，南京大学物理学院杜灵杰教授团队在量子物理研究方面取得重大突破。他们首次在实验上观察到引力子激发（引力子模），这一成果发表在国际顶级学术期刊Nature上，为理解全新关联量子物理和实现拓扑量子计算机运行开辟了新方向。
北京时间2024年3月28日，国际顶级学术期刊Nature在线发表了杜灵杰教授及其合作者的论文“Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall liquids”。这项研究中，杜灵杰教授团队利用极端条件下的偏振光散射技术，在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量，首次观察到引力子模——引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。
图1：（左）量子度规描述运行轨道的形状。（右）轨道形变产生最低能量长波激发。
引力子的研究一直是物理学界的终极问题之一。早在广义相对论诞生之初，爱因斯坦就尝试将这一理论与量子力学统一起来，开启了量子引力的研究。1939年，Fierz和Pauli提出了早期的量子引力理论，预言了引力子是一种自旋2的粒子。而杜灵杰团队的这一发现，首次在实验上证实了具有引力子特征的准粒子的存在，为研究量子引力理论提供了新的视角。
图2：圆偏振光测量引力子激发
为了实现这一突破，杜灵杰团队自主研发了一套极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统（图3a）。这套设备有两层楼高，可以在零下273.1度的极端低温下捕捉到最低达10GHz的微弱激发并判断其自旋。实验团队通过共振非弹性光散射测量到了最低能量长波集体激发，并通过改变入射和散射光的自旋，观察到该激发具有自旋2的特性且是手性的（图3b）。此外，测量到的极小激发峰宽符合动量守恒下引力子激发的长波特性（图3c），而测到的能量在m/n分数态正比于Ec/n（Ec为库伦能），符合其能量特性（图3d）。
图3：（a）极低温强磁场共振非弹性偏振光散射测量平台。（b）引力子激发的手性自旋2特性。（c）引力子激发峰峰宽揭示其长波特性。（d）引力子激发能量符合其能量特性。
这一研究成果不仅为在凝聚态系统中研究量子引力相关物理开辟了新的视野，还为拓扑量子计算的分数态波函数验证奠定了实验基础，开辟了拓扑关联物态几何效应实验研究的新方向。该工作在南京大学完成，南京大学为论文的第一单位。南京大学物理学院杜灵杰教授为通讯作者，负责该实验项目。南京大学博士生梁杰辉和哥伦比亚大学博士生刘子煜为共同第一作者。普林斯顿大学为该工作提供了高质量的样品。该工作得到了南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的大力支持，以及国家海外高层次人才青年项目、国家自然科学基金委、科技部科技创新2030、江苏省双创人才以及南京大学人才启动项目等经费的支持。