Een team van wetenschappers van Columbia, Nanjing University, Princeton en de Universiteit van Munster, schrijft in het tijdschrift Nature , hebben het eerste experimentele bewijs gepresenteerd van collectieve excitaties met spin, chirale gravitonmodi (CGM's) genoemd, in een halfgeleidend materiaal.

Een CGM lijkt op een graviton, een nog te ontdekken elementair deeltje dat beter bekend is in de hoogenergetische kwantumfysica omdat het hypothetisch aanleiding geeft tot de zwaartekracht, een van de fundamentele krachten in het universum, waarvan de uiteindelijke oorzaak mysterieus blijft.

De mogelijkheid om gravitonachtige deeltjes in het laboratorium te bestuderen zou kunnen bijdragen aan het opvullen van kritische hiaten tussen de kwantummechanica en de relativiteitstheorieën van Einstein, waardoor een groot dilemma in de natuurkunde wordt opgelost en ons begrip van het universum wordt vergroot.

"Ons experiment markeert de eerste experimentele onderbouwing van dit concept van gravitonen, geponeerd door baanbrekende werken op het gebied van kwantumzwaartekracht sinds de jaren dertig, in een systeem van gecondenseerde materie", zegt Lingjie Du, een voormalige postdoc van Columbia en senior auteur van het artikel.>

Het team ontdekte het deeltje in een soort gecondenseerde materie die een fractioneel kwantum Hall-effect (FQHE) vloeistof wordt genoemd. FQHE-vloeistoffen zijn een systeem van sterk op elkaar inwerkende elektronen die in twee dimensies voorkomen bij hoge magnetische velden en lage temperaturen. Ze kunnen theoretisch worden beschreven met behulp van kwantumgeometrie, opkomende wiskundige concepten die van toepassing zijn op de minieme fysieke afstanden waarop de kwantummechanica fysieke verschijnselen beïnvloedt.

Elektronen in een FQHE zijn onderworpen aan wat bekend staat als een kwantummetriek waarvan werd voorspeld dat deze aanleiding zou geven tot CGM's als reactie op licht. In de tien jaar sinds de kwantummetrische theorie voor het eerst werd voorgesteld voor FQHE's, bestonden er echter beperkte experimentele technieken om de voorspellingen ervan te testen.

Een groot deel van zijn carrière bestudeerde de Columbia-natuurkundige Aron Pinczuk de mysteries van FQHE-vloeistoffen en werkte hij aan de ontwikkeling van experimentele hulpmiddelen die dergelijke complexe kwantumsystemen konden onderzoeken. Pinczuk, die in 1998 vanuit Bell Labs bij Columbia kwam en hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde was, overleed in 2022, maar zijn laboratorium en zijn alumni over de hele wereld hebben zijn nalatenschap voortgezet. Onder deze alumni bevinden zich artikelauteurs Ziyu Liu, die afstudeerde met zijn Ph.D. in de natuurkunde van Columbia vorig jaar, en voormalig Columbia-postdocs Du, nu aan de Universiteit van Nanjing, en Ursula Wurstbauer, nu aan de Universiteit van Münster.

"Aron was een pionier in de aanpak van het bestuderen van exotische fasen van materie, inclusief opkomende kwantumfasen in vaste-stof nanosystemen, door de laaggelegen collectieve excitatiespectra die hun unieke vingerafdrukken zijn", aldus Wurstbauer, co-auteur van het huidige werk. P>

"Ik ben echt blij dat zijn laatste geniale voorstel en onderzoeksidee zo succesvol was en nu gepubliceerd is in Nature . Het is echter jammer dat hij het niet met ons kan vieren. Hij heeft altijd een sterke focus gelegd op de mensen achter de resultaten."

Een van de technieken die Pinczuk heeft ontwikkeld heet resonante inelastische verstrooiing bij lage temperatuur. Deze techniek meet hoe lichtdeeltjes, of fotonen, zich verspreiden wanneer ze een materiaal raken, waardoor de onderliggende eigenschappen van het materiaal zichtbaar worden.

Liu en zijn co-auteurs van het artikel hebben de techniek aangepast om gebruik te maken van wat bekend staat als circulair gepolariseerd licht, waarbij de fotonen een bepaalde draaiing hebben. Wanneer de gepolariseerde fotonen interageren met een deeltje zoals een CGM dat ook draait, zal het teken van de spin van de fotonen als reactie daarop op een meer onderscheidende manier veranderen dan wanneer ze interactie zouden hebben met andere soorten modi.

Het nieuwe papier was een internationale samenwerking. Met behulp van monsters die waren bereid door Pinczuk's oude medewerkers in Princeton, voltooiden natuurkundige Cory Dean van Liu en Columbia een reeks metingen in Columbia. Vervolgens stuurden ze het monster op voor experimenten met optische apparatuur voor lage temperaturen, die Du meer dan drie jaar lang in zijn nieuwe laboratorium in China had gebouwd.

Ze observeerden fysieke eigenschappen die consistent waren met die voorspeld door de kwantumgeometrie voor CGM's, inclusief hun spin-2-karakter, karakteristieke energieverschillen tussen de grond- en aangeslagen toestanden, en de afhankelijkheid van zogenaamde vulfactoren, die het aantal elektronen in het systeem relateren aan zijn magnetisch veld.

CGM's delen deze kenmerken met gravitonen, een nog onontdekt deeltje waarvan wordt voorspeld dat het een cruciale rol speelt in de zwaartekracht. Zowel CGM’s als gravitonen zijn het resultaat van gekwantiseerde metrische fluctuaties, legt Liu uit, waarbij het weefsel van de ruimtetijd willekeurig in verschillende richtingen wordt getrokken en uitgerekt.

De theorie achter de resultaten van het team kan daarom mogelijk twee deelgebieden van de natuurkunde met elkaar verbinden:hoge-energiefysica, die op de grootste schaal van het universum actief is, en de fysica van de gecondenseerde materie, die materialen bestudeert en de atomaire en elektronische interacties die hen hun unieke eigenschappen geven.

In toekomstig werk zegt Liu dat de techniek van gepolariseerd licht eenvoudig kan worden toegepast op FQHE-vloeistoffen met hogere energieniveaus dan ze in het huidige artikel hebben onderzocht. Het zou ook van toepassing moeten zijn op aanvullende soorten kwantumsystemen waarbij de kwantumgeometrie unieke eigenschappen van collectieve deeltjes, zoals supergeleiders, voorspelt.

"Lange tijd was er een mysterie over hoe lange golflengte collectieve modi, zoals CGM's, in experimenten konden worden onderzocht. We leveren experimenteel bewijs dat voorspellingen van de kwantumgeometrie ondersteunt", zegt Liu. "Ik denk dat Aron erg trots zou zijn om deze uitbreiding van zijn technieken en nieuwe inzichten te zien in een systeem dat hij al heel lang bestudeerd heeft."

Meer informatie: Jiehui Liang et al, Bewijs voor chirale gravitonmodi in fractionele quantum Hall-vloeistoffen, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07201-w

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Columbia University Quantum Initiative