Partículas similares a gravitones encontradas en experimentos cuánticos

Luz que sondea un modo de gravitón quiral en un efecto Hall cuántico fraccional líquido. Crédito: Lingjie Du, Universidad de Nanjing

Los resultados, que continúan el legado del fallecido profesor de Columbia Aron Pinczuk, son un paso hacia una mejor comprensión de la gravedad.

Un equipo de científicos de Columbia, la Universidad de Nanjing, Princeton y la Universidad de Munster, escribe en la revista Naturalezapresentó la primera evidencia experimental de excitaciones colectivas con espín llamadas modos de gravitón quirales (CGM) en un material semiconductor.

El CGM parece ser similar a un gravitón, una partícula elemental aún por descubrir, más conocida en la física cuántica de alta energía por dar lugar hipotéticamente a la gravedad, una de las fuerzas fundamentales del universo, cuya causa última sigue siendo un misterio.

Combina Física Teórica y Realidad Experimental

La capacidad de estudiar partículas similares a gravitones en el laboratorio podría ayudar a llenar vacíos críticos entre la mecánica cuántica y las teorías de la relatividad de Einstein, resolviendo un importante dilema en física y ampliando nuestra comprensión del universo.

«Nuestro experimento marca la primera prueba experimental de este concepto de gravitones, postulado por trabajos pioneros en gravedad cuántica de la década de 1930, en un sistema de materia condensada», dijo Lingjie Du, ex becario postdoctoral de Columbia y autor principal del artículo.

La Métrica Cuántica y sus predicciones

El equipo descubrió la partícula en un tipo de materia condensada llamada líquido de efecto Hall cuántico fraccionario (FQHE). Los líquidos FQHE son un sistema de electrones que interactúan fuertemente y que se producen en dos dimensiones en campos magnéticos elevados y bajas temperaturas. Se pueden describir teóricamente utilizando la geometría cuántica, conceptos matemáticos emergentes que se aplican a las pequeñas distancias físicas en las que la mecánica cuántica influye en los fenómenos físicos.

Los electrones en FQHE están sujetos a lo que se conoce como una métrica cuántica que se predijo que daría lugar a CGM en respuesta a la luz. Sin embargo, en la década transcurrida desde que se propuso por primera vez la teoría métrica cuántica para los FQHE, existían técnicas experimentales limitadas para probar sus predicciones.

El legado de Aron Pinczuk: investigación cuántica pionera

Durante gran parte de su carrera, el físico de Columbia Aron Pinczuk ha estudiado los misterios de los líquidos FQHE y ha trabajado para desarrollar herramientas experimentales que puedan sondear sistemas cuánticos tan complejos. Pinczuk, que se unió a Columbia procedente de Bell Labs en 1998 y fue profesor de física y física aplicada, murió en 2022, pero su laboratorio y sus alumnos en todo el mundo continúan su legado. Entre esos exalumnos se incluyen los autores de artículos Ziyu Liu, quien se graduó con su doctorado en física en Columbia el año pasado, y los ex posdoctorados de Columbia Du, ahora en la Universidad de Nanjing, y Ursula Wurstbauer, ahora en la Universidad de Nanjing. Universidad de Munster.

«Aron fue pionero en el enfoque de estudiar fases exóticas de la materia, incluidas las fases cuánticas que surgen en nanosistemas de estado sólido, a partir de espectros colectivos de baja excitación que son sus huellas digitales únicas», comentó Wurstbauer, coautor del trabajo actual. «Estoy muy feliz de que su última propuesta genial e idea de investigación haya tenido tanto éxito y ahora esté publicada en Naturaleza. Sin embargo, es triste que no pueda celebrarlo con nosotros. Siempre se centró mucho en las personas que estaban detrás de los resultados».

Técnicas innovadoras en física cuántica

Una de las técnicas establecidas por Pinczuk se llamó dispersión inelástica resonante a baja temperatura, que mide cómo las partículas de luz, o fotones, se dispersan cuando chocan contra un material, revelando las propiedades subyacentes del material.

Liu y sus coautores sobre el Naturaleza El artículo adaptó la técnica para utilizar lo que se conoce como luz polarizada circularmente, en la que los fotones tienen un giro particular. Cuando los fotones polarizados interactúan con una partícula similar a CGM que también gira, el signo de espín del fotón cambia en respuesta de una manera más distintiva que si estuvieran interactuando con otros tipos de modos.

Colaboración internacional y geometría cuántica

El nuevo documento en Naturaleza Fue una colaboración internacional. Utilizando muestras preparadas por antiguos colaboradores de Pinczuk en Princeton, Liu y Columbia, el físico Cory Dean completó una serie de mediciones en Columbia. Luego enviaron la muestra para experimentos en un dispositivo óptico de baja temperatura que Du pasó tres años construyendo en su nuevo laboratorio en China. Observaron propiedades físicas consistentes con las predichas por la geometría cuántica para los CGM, incluida su naturaleza de espín-2, brechas de energía características entre sus estados fundamental y excitado, y una dependencia de los llamados factores de -mili, que relacionan el número de electrones. en el sistema a su campo magnético.

Implicaciones teóricas y direcciones futuras

Los CGM comparten esas características con los gravitones, partículas aún no descubiertas que se predice que desempeñan un papel fundamental en la gravedad. Tanto los CGM como los gravitones son el resultado de fluctuaciones métricas cuantificadas, explicó Liu, en las que el tejido del espacio-tiempo se tira y se estira aleatoriamente en diferentes direcciones. Por lo tanto, la teoría detrás de los resultados del equipo podría potencialmente unir dos subcampos de la física: la física de altas energías, que opera en las escalas más grandes del universo, y la física de la materia condensada, que estudia los materiales y las interacciones atómicas y electrónicas que les dan su singularidad. propiedades.

En trabajos futuros, Liu dice que la técnica de la luz polarizada debería ser sencilla de aplicar a líquidos FQHE con niveles de energía más altos que los explorados en el artículo actual. También debería aplicarse a tipos adicionales de sistemas cuánticos donde la geometría cuántica predice propiedades únicas de partículas colectivas, como los superconductores.

«Durante mucho tiempo, existió el misterio de cómo los modos colectivos de longitud de onda larga, como los MCG, podían ser probados en experimentos. Proporcionamos evidencia experimental que respalda las predicciones de la geometría cuántica», dijo Liu. «Creo que Aron estaría muy orgulloso «Ver esta extensión de sus técnicas y una nueva comprensión de un sistema que había estudiado durante mucho tiempo».

Referencia: «Evidencia de modos de gravitones quirales en líquidos Hall cuánticos fraccionarios» por Jiehui Liang, Ziyu Liu, Zihao Yang, Yuelei Huang, Ursula Wurstbauer, Cory R. Dean, Ken W. West, Loren N. Pfeiffer, Lingjie Du y Aron Pinczuk , 27 de marzo de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07201-w