Trovare particelle simili ai gravitoni negli esperimenti quantistici

I risultati, continuando l’eredità del defunto professore della Columbia University Aaron Pinchuk, rappresentano un passo verso una migliore comprensione della gravità.

Un team di scienziati della Columbia, dell’Università di Nanchino, di Princeton e dell’Università di Münster scrive sulla rivista naturaHanno fornito la prima prova sperimentale dell’eccitazione collettiva con spin chiamata modalità gravitoniche chirali (CGM) in un materiale semiconduttore.

Il CGM sembra assomigliare a un gravitone, una particella elementare non ancora scoperta che è meglio conosciuta nella fisica quantistica delle alte energie perché ipoteticamente dà origine alla gravità, una delle forze fondamentali dell'universo, la cui causa ultima rimane un mistero.

Collegare la fisica teorica e la realtà sperimentale

La capacità di studiare particelle simili ai gravitoni in laboratorio potrebbe aiutare a colmare il divario critico tra la meccanica quantistica e le teorie della relatività di Einstein, risolvendo un importante dilemma della fisica ed espandendo la nostra comprensione dell’universo.

“Il nostro esperimento rappresenta la prima prova sperimentale del concetto di gravitoni, postulato dal lavoro pionieristico sulla gravità quantistica dagli anni '30, in un sistema di materia condensata”, ha affermato Lingjie Du, ex ricercatore post-dottorato presso la Columbia University e autore senior dell'articolo.

Metrica quantistica e sue previsioni

Il team ha scoperto la particella in un tipo di materia condensata chiamata fluido ad effetto Hall quantistico frazionario (FQHE). I liquidi FQHE sono un sistema di elettroni fortemente interagenti che si presentano in due dimensioni ad alti campi magnetici e basse temperature. Può essere descritto teoricamente utilizzando la geometria quantistica, che sta emergendo concetti matematici che si applicano alle precise distanze fisiche su cui la meccanica quantistica influenza i fenomeni fisici.

Gli elettroni nel FQHE subiscono quella che è nota come scala quantistica che avrebbe dovuto dare origine a CGM in risposta alla luce. Tuttavia, nel decennio trascorso da quando è stata proposta per la prima volta la teoria della misurazione quantistica per gli FQHE, sono state disponibili tecniche sperimentali limitate per testare le sue previsioni.

L'eredità di Aaron Pinchuk: ricerca quantistica pionieristica

Per gran parte della sua carriera, il fisico della Columbia University Aaron Pinchuk ha studiato i misteri dei fluidi FQHE e ha lavorato per sviluppare strumenti sperimentali in grado di esplorare sistemi quantistici così complessi. Pinchuk, entrato alla Columbia dai Bell Laboratories nel 1998 ed era professore di fisica e fisica applicata, è morto nel 2022, ma il suo laboratorio e gli ex studenti di tutto il mondo hanno portato avanti la sua eredità. Questi ex studenti includono gli autori dell'articolo Xiu Liu, che si è laureato con un dottorato in fisica alla Columbia l'anno scorso, e Du, ex ricercatori post-dottorato alla Columbia, Du, ora all'Università di Nanchino, e Ursula Forstbauer, ora all'Università di Nanchino. Università di Münster.

“Aaron ha aperto la strada all’approccio di studio delle fasi esotiche della materia, comprese le fasi quantistiche emergenti nei nanosistemi a stato solido, attraverso spettri di eccitazione a bassa massa che rappresentano la loro firma unica”, ha commentato Forstbauer, coautore del lavoro attuale. “Sono davvero felice che il suo ultimo geniale suggerimento e idea di ricerca abbia avuto così tanto successo e sia stato ora pubblicato su natura. Ma è triste che non possa festeggiare con noi. Ha sempre puntato fortemente sulle persone che stanno dietro ai risultati.

Tecniche innovative in fisica quantistica

Una tecnica creata da Pinchuk è stata chiamata diffusione risonante anelastica a bassa temperatura, che misura il modo in cui le particelle di luce, o fotoni, si diffondono quando colpiscono un materiale, rivelando così le proprietà fondamentali del materiale.

Liu e i suoi coautori natura Un documento di ricerca ha modificato questa tecnica per utilizzare la cosiddetta luce polarizzata circolarmente, dove i fotoni hanno una certa rotazione. Quando i fotoni polarizzati interagiscono con una particella come un CGM che sta anch'essa ruotando, il segnale di spin dei fotoni cambierà in risposta in un modo più distinto che se interagissero con altri tipi di modalità.

Cooperazione internazionale e ingegneria quantistica

Il nuovo giornale in natura Era cooperazione internazionale. Utilizzando campioni preparati dai collaboratori di lunga data di Pinczuk a Princeton, il fisico Corey Dean Liu e la Columbia hanno completato una serie di misurazioni alla Columbia. Hanno quindi inviato il campione per esperimenti su apparecchiature ottiche a bassa temperatura che Du ha costruito per più di tre anni nel suo nuovo laboratorio in Cina. Hanno osservato proprietà fisiche coerenti con quelle previste dall’ingegneria quantistica per gli osservatori continui, inclusa la natura dello spin 2, i distinti divari energetici tra i suoi stati fondamentale ed eccitato e la dipendenza dai cosiddetti fattori di riempimento, che mettono in relazione il numero di elettroni in un sistema al suo campo magnetico.

Implicazioni teoriche e direzioni future

I CGM condividono queste proprietà con i gravitoni, una particella ancora da scoprire che si prevede svolga un ruolo cruciale nella gravità. Liu ha spiegato che sia i CGM che i gravitoni sono il risultato di fluttuazioni metriche quantistiche, in cui il tessuto dello spaziotempo viene tirato e allungato casualmente in direzioni diverse. Pertanto, la teoria alla base delle scoperte del team potrebbe collegare due sottocampi della fisica: la fisica delle alte energie, che funziona su scala più ampia dell’universo, e la fisica della materia condensata, che studia i materiali e le interazioni atomiche ed elettroniche che conferiscono loro le loro proprietà uniche. .

Nel lavoro futuro, Liu afferma che la tecnica della luce polarizzata dovrebbe essere facile da applicare ai liquidi FQHE a livelli energetici più elevati rispetto a quelli esplorati nel documento attuale. Dovrebbe applicarsi anche ad altri tipi di sistemi quantistici, dove l’ingegneria quantistica prevede proprietà uniche delle particelle collettive, come i superconduttori.

“Per molto tempo, c'è stata questa ambiguità su come i modi collettivi a lunga lunghezza d'onda, come i CGM, possano essere testati negli esperimenti. “Stiamo fornendo prove sperimentali che supportano le previsioni dell'ingegneria quantistica”, ha detto Liu. “Penso che Aaron sarebbe molto orgoglioso di vedere questa espansione nelle “Sue tecniche e nella nuova comprensione del sistema che aveva studiato per così tanto tempo”.

Riferimento: “Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall fluids” di Jihui Liang, Xiu Liu, Zihao Yang, Yueli Huang, Ursula Forstbauer, Corey R. Dean, Ken W. West, Lauren N. Pfeiffer, Lingjie Du e Aaron Pinczuk , 27 marzo 2024 , natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07201-s