杜灵杰团队组装一两层楼高“显微镜”发现引力子的“投影”

在南京大学的实验室内，杜灵杰教授和他的科研团队首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影””，这一发现被发表于国际学术期刊《自然》杂志上。

杜灵杰介绍，引力子和引力波对应，后者已经被实验所证实，而引力子尚未被直接观察到。“引力子是广义相对论与量子力学理论相结合的产物，如果能证实这种神秘粒子存在，可能有助于实现两大理论的统一，这对当代物理学而言意义重大。”

他告诉记者，近年来，有理论预言，凝聚态物质中可能存在一种“分数量子霍尔效应引力子”，由于它的行为规律与引力子类似，被形象地称作引力子的“投影”。

5年前，杜灵杰团队在分数量子霍尔效应中发现一种新的集体激发现象。理论物理学界认为，这可能是分数量子霍尔效应引力子存在的证据，并提出了实验方案。

“但当时国内外没有符合实验要求的测量设备。因为这个实验对设备的要求极高，而且看上去自相矛盾。”论文共同第一作者、南京大学博士生梁杰辉告诉记者，一方面，实验需要极低温和强磁场——温度仅比绝对零度高约0.05摄氏度，磁场强度要达到地球平均磁场的10万倍以上，虽然这两个条件可以通过特殊的制冷机实现，但另一方面，为了开展光学测量，制冷机上必须安装透光窗户，这又很容易导致实验温度上升，机器振动也会影响光学测量的精度。

对于该实验测量，无论是从实验技术，还是从基础物理创新角度，都意味着是0到1的突破。杜灵杰带领团队，花费数年时间，通过精妙的设计将看似矛盾的测量要求一一实现，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(图a)。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。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的特性并且是手性的(图b)。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(图c)，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(图d)。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。

图：(a)极低温强磁场共振非弹性偏振光散射测量平台。(b)引力子激发的手性自旋2特性。(c)引力子激发峰峰宽揭示其长波特性。(d) 引力子激发能量符合其能量特性。

这一极具挑战性研究成果的发表，意味着南京大学杜灵杰教授团队在这一前沿领域迈出了重要一步。该工作在南京大学完成，南京大学为论文的第一单位。南京大学物理学院杜灵杰教授为通讯作者，负责该实验项目。南京大学博士生梁杰辉和哥伦比亚大学博士生刘子煜为共同第一作者。普林斯顿大学为该工作提供了高质量的样品。该工作得到了南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的大力支持，以及国家海外高层次人才青年项目、国家自然科学基金委、科技部科技创新2030、江苏省双创人才以及南京大学人才启动项目等经费的支持。

参考资料：

我国科学家在世界上首次观察到引力子的“投影”.新华网

Nature发表南京大学杜灵杰团队最新成果：实验上首次发现引力子激发.中国日报网