科學家首次觀察到引力子激發

南京大學物理學院教授杜靈杰團隊利用極端條件下的偏振光散射技術，在砷化鎵量子阱中對分數量子霍爾效應的集體激發進行了測量，進而在全球首次觀察到引力子激發（引力子模）——引力子在凝聚態物質中的新奇準粒子。3月28日，《自然》在線發表了相關研究成果。

左圖為量子度規描述運行軌道的形狀，右圖為軌道形變產生最低能量長波激發。課題組供圖

圓偏振光測量引力子激發。課題組供圖

引力子的研究是物理學的終極問題之一。諾貝爾物理學獎得主Haldane提出分數量子霍爾效應中可能存在著引力子激發，也被稱為分數量子霍爾效應引力子。作為分數量子霍爾效應新幾何理論的關鍵結論，引力子激發對凝聚態物理也具有重要意義。遺憾的是，尋找分數量子霍爾效應引力子，一直是懸而未決的問題，至今未能突破。

2019年，杜靈杰團隊在分數量子霍爾效應中發現了一種新的集體激發，這一結果隨即被理論物理學家們認為可能是分數量子霍爾效應引力子并提出了檢測該引力子的關鍵自旋測量方案。這觸發了杜靈杰率領實驗團隊在分數量子霍爾效應中去探尋并最終發現這類神秘粒子的存在。

南京大學自主設計、集成組裝了一臺根植于He3-He4稀釋制冷技術的極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統，這一特殊的“望遠鏡”有兩層樓高，可以在零下273.1度下捕捉到最低達10GHz的微弱激發并判斷其自旋。

杜靈杰團隊通過測試表明，這一技術的相關測量參數達到國際領先水平，為引力子激發的測量奠定了實驗基礎。依靠這一利器，實驗團隊在砷化鎵半導體量子阱中成功觀測到分數量子霍爾效應引力子，取得重要突破。團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，并通過改變入射和散射光的自旋，觀察到該激發具有自旋2的特性且是手性的。并且測量到的極小激發峰寬符合動量守恒下引力子激發的長波特性，而測到的能量在m/n分數態正比于Ec/n（Ec為庫倫能），符合其能量特性。這些結果從自旋，動量和能量角度充分提供了引力子激發的實驗證據。

據杜靈杰團隊介紹，這一工作是自引力子這一概念被提出以來，首次在實驗上發現具有引力子特征的準粒子。該實驗工作從凝聚態角度揭示了度規擾動的量子化是自旋2的激發，這一概念來自于1930年代的量子引力理論但此前從未有實驗支持。該實驗結果為在凝聚態系統中研究量子引力相關物理開辟了新的視野。

在這一工作中觀察到的引力子激發揭示了拓撲序中的量子度規，為分數量子霍爾效應的新幾何理論提供了關鍵實驗證據。該研究為拓撲量子計算的分數態波函數驗證奠定了實驗基礎，開辟了拓撲關聯物態幾何效應實驗研究的新方向。

據悉，南京大學博士生梁杰輝和哥倫比亞大學博士生劉子煜為論文的共同第一作者，南京大學物理學院教授杜靈杰為通訊作者。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07201-w