量子実験で発見された重力子様粒子

噴水量子ホール効果液体中のキラル重力子モードを光で照射するクレジット：南京大学ドゥリンジエ（Lingjie Du）

コロンビア教授のAron Pinczukの遺産に続くこの結果は、重力のより良い理解に向けた一歩です。

コロンビア大学、南京大学、プリンストン大学、ミュンスター大学の科学者からなるチームがジャーナルに書いています。 自然は、半導体材料におけるキラル重力子モード（CGM）と呼ばれるスピンを用いた集団励起の最初の実験的証拠を提示しました。

CGMは、宇宙の基本力の1つである重力を発生させると仮定して、高エネルギー量子物理学でよりよく知られているまだ発見されていない基本粒子である重力子に似ているようです。 重力の究極の原因は謎のままです。

理論物理学と実験現実のつながり

実験室で重力者のような粒子を研究する能力は、量子力学とアインシュタインの相対性理論との間の重要なギャップを埋め、物理学の主なジレンマを解決し、宇宙の理解を広げるのに役立ちます。

「私たちの実験は、1930年代以来、凝縮物質システムにおける量子重力の先駆的な研究によって仮定された重力概念の最初の実験的実証です」と前コロンビア博士後研究者であり、論文上級著者であるLingjie Duは言いました。

量子指標と予測

研究チームは、噴水量子ホール効果（FQHE）液体と呼ばれる一種の凝縮物質から粒子を発見しました。 FQHE液体は、高磁場と低温で2次元で発生する強く相互作用する電子システムです。 量子力学が物理的現象に影響を与える微細な物理的距離に適用される新しい数学的概念である量子幾何学を使用して理論的に説明することができます。

FQHEの電子は、光に応答してCGMを生成すると予測された量子測定法の適用を受けます。 しかし、FQHEについて量子測定理論が最初に提案されて以来、10年間の予測をテストするための限られた実験技術がありました。

Aron Pinczukの遺産：先駆的な量子研究

コロンビア物理学者Aron Pinczukは、キャリアのほとんどの間にFQHE液体の謎を研究し、そのような複雑な量子システムを調査するための実験ツールの開発に取り組んでいます。 1998年ベル研究所でコロンビアに合流し、物理学・応用物理学教授に在職したピンチュクは2022年に世界を去ったが、彼の研究室と全世界の同門が彼の遺産を続けている。 これらの文書には、昨年、コロンビアで物理学博士号を取得した論文著者Ziyu Liu、元コロンビア博士後研究者Du（現在の南京大学）、Ursula Wurstbauer（現在の南京大学）が含まれます。 ミュンスター大学。

現在の研究の共著者であるWurstbauer氏は、次のように述べています。 」と言いました。 「彼の最後の天才的な提案と研究のアイデアは非常に成功していました。 自然。 しかし、私たちと一緒に祝ってくれなかったので残念です。 彼は常に結果の後ろにいる人々に強い焦点を置いていました。」

量子物理学の革新的な技術

Pinczukが確立した技術の1つは、低温共鳴非弾性散乱であり、光粒子または光子が物質に当たったときにどのように散乱するかを測定することによって物質の基本特性を明らかにします。

Liuと彼の共著者は 自然 本論文では、光子が特定のスピンを有する円偏光を使用する技術を適用した。 偏光された光子が回転するＣＧＭなどの粒子と相互作用すると、光子のスピン表示は、他の種類のモードと相互作用する場合よりもユニークな方法で反応して変化する。

国際協力と量子幾何学

の新しい紙 自然 国際的な協力でした。 プリンストンでPinczukの長い協力者によって準備されたサンプルを使用して、Liuとコロンビアの物理学者Cory Deanは、コロンビアで一連の測定を完了しました。 それから彼らはDuが中国の彼の新しい研究室で3年にわたって構築した低温光学機器の実験のためにサンプルを送りました。 彼らは、スピン-2特性、床状態と浮遊状態の間の特徴的なエネルギーギャップ、システムの電子数に関連するいわゆる充電係数への依存性を含む、CGMの量子幾何学で予測されたものと一致する物理的特性を観察した。 磁場。

理論的示唆点と今後の方向

CGMは、重力において重要な役割を果たすと予想されるまだ発見されていない粒子である重力者とこれらの特性を共有します。 CGMと重力者の両方が量子化されたメートル法変動の結果であるとLiuは説明しました。 Liuは時空間構造がランダムに異なる方向に引っ張られ、伸びる。 したがって、チーム結果の裏側にある理論は、物理学の2つのサブフィールド、すなわち宇宙の最大規模にわたって働く高エネルギー物理学と、物質と物質に固有の特性を与える原子と電子の相互作用を研究する凝縮物質物理学を潜在的に接続できます。

今後の研究では、Liuは、偏光技術が現在の論文で探求したよりも高いエネルギーレベルでFQHE液体に適用するのは簡単でなければならないと述べました。 さらに、量子幾何学が超伝導体などの集団粒子の固有の特性を予測する追加の種類の量子システムにも適用する必要があります。

「長い間、CGMのような長波長集団モードを実験で調べることができるかどうかについての謎がありました。 我々は、量子幾何学的予測を支持する実験的証拠を提供しています。」とLiuは言いました。 「Aronは、自分のスキルが拡大し、長い間研究されたシステムの新しい理解を見ることができれば、非常に誇りに思う」と思います。

参考文献：Jiehui Liang、Ziyu Liu、Zihao Yang、Yuelei Huang、Ursula Wurstbauer、Cory R. Dean、Ken W. West、Loren N. Pfeiffer、Lingjie Du、およびAron Pinczukの「噴水量子ホール液体のキラル重力子モード」証拠」、2024年3月27日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-024-07201-w