科学家首次观察到引力子激发

南京大学物理学院教授杜灵杰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，进而在全球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。3月28日，《自然》在线发表了相关研究成果。

左图为量子度规描述运行轨道的形状，右图为轨道形变产生最低能量长波激发。课题组供图

圆偏振光测量引力子激发。课题组供图

引力子的研究是物理学的终极问题之一。诺贝尔物理学奖得主Haldane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。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也具有重要意义。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。

2019年，杜灵杰团队在分数量子霍尔效应中发现了一种新的集体激发，这一结果随即被理论物理学家们认为可能是分数量子霍尔效应引力子并提出了检测该引力子的关键自旋测量方案。这触发了杜灵杰率领实验团队在分数量子霍尔效应中去探寻并最终发现这类神秘粒子的存在。

南京大学自主设计、集成组装了一台根植于He3-He4稀释制冷技术的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统，这一特殊的“望远镜”有两层楼高，可以在零下273.1度下捕捉到最低达10GHz的微弱激发并判断其自旋。

杜灵杰团队通过测试表明，这一技术的相关测量参数达到国际领先水平，为引力子激发的测量奠定了实验基础。依靠这一利器，实验团队在砷化镓半导体量子阱中成功观测到分数量子霍尔效应引力子，取得重要突破。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。并且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，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。这些结果从自旋，动量和能量角度充分提供了引力子激发的实验证据。

据杜灵杰团队介绍，这一工作是自引力子这一概念被提出以来，首次在实验上发现具有引力子特征的准粒子。该实验工作从凝聚态角度揭示了度规扰动的量子化是自旋2的激发，这一概念来自于1930年代的量子引力理论但此前从未有实验支持。该实验结果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。

在这一工作中观察到的引力子激发揭示了拓扑序中的量子度规，为分数量子霍尔效应的新几何理论提供了关键实验证据。该研究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。

据悉，南京大学博士生梁杰辉和哥伦比亚大学博士生刘子煜为论文的共同第一作者，南京大学物理学院教授杜灵杰为通讯作者。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07201-w