南大杜灵杰团队在实验上首次发现引力子激发

雷克儿

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进展。他们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，世界上首次观察到引力子激发（引力子模）——引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。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”。

　　全球关于引力子的研究，一直是物理学界的终极问题之一；如证实引力子的存在，将是颠覆当代物理学乃至整个科学领域的巨大突破。南京大学的这项工作中首次观察到的引力子模是引力子在凝聚态系统中的投影（存在）。这一重大发现，也对理解全新的关联量子物理以及实现拓扑量子计算机的运行有至关重要的意义。

　　广义相对论，指出引力是一种几何效应。广义相对论的爱因斯坦场方程，解释了宇宙中绝大多数的宏观现象，预言了引力波作为时空度规的扰动并被实验观察到。但是，广义相对论却很难像量子力学那样去描述微观世界。而早在广义相对论诞生之初，爱因斯坦就想过将这一理论与量子力学统一起来，从而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，即Fierz-Pauli场方程，预言了引力子（可理解为时空度规扰动的量子化）是一种自旋2的粒子，而引力子后来也在11维超膜理论（M理论）里占据着核心地位。引力子包括有质量和无质量两类，有质量的引力子被认为与暗物质有关。很显然，引力子的研究是物理学的终极问题之一，是实现大统一理论之关键步骤。事实上，天文学领域一直在寻找引力子可能的实验证据，如果证实，将会是改变物理学乃至整个科学领域的巨大突破。

　　对于宇宙中的基本粒子，凝聚态系统中那些满足其类似行为规律的集体激发可被视作基本粒子投射在这些系统上的影子，是准粒子。近年来，理论物理学家Haldane（2016年诺贝尔物理学奖得主）提出分数量子霍尔效应中可能存在着引力子激发，也被称为分数量子霍尔效应引力子。分数量子霍尔效应，作为一种强关联拓扑效应，是当代凝聚态物理的最重要研究前沿之一，其发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。其中主要的分数量子霍尔态在图像上可被理解为复合粒子（一个电子绑上两个磁通量子）在执行回旋轨道运动。而Haldane对分数量子霍尔效应给出了新的量子几何解释，认为存在着一种长期被忽视的量子度规，这一度规可描述运动轨道的形状（图1左）。该度规扰动的量子化即引力子激发，表现为轨道形变产生的最低能量长波集体激发（图1右），理论预测该集体激发是自旋2的手性激发，其自旋只能为+2或-2。Bergshoeff和Townsend等人（这两位是M理论的主要提出者之一）进一步指出，引力子激发可以被非相对论极限下的2+1维、有质量的Fierz-Pauli场方程所描述，同时也可被零简化的3+1维线性爱因斯坦场方程所描述，揭示了这类神秘粒子的引力子特征。作为分数量子霍尔效应新几何理论的关键结论，引力子激发对凝聚态物理本身也具有极其重要的意义。此前，分数量子霍尔效应被认为可以通过陈-西蒙斯拓扑量子场论来描述。然而，Haldane提出的这一几何理论超越了该领域传统拓扑量子场论的框架，带来了一种新的“陈-西蒙斯+量子几何”理论，从而可以为关联物态的研究打开新的方向。而引力子激发的存在，如果证实，将为这一新的关联物理提供重要的实验支持。此外，引力子激发可以用来分辨一些分数量子霍尔态所具有的非阿贝尔基态波函数，对于实现拓扑量子计算有着关键的意义。遗憾的是，寻找分数量子霍尔效应引力子，一直是悬而未决的问题，至今未能突破。