南京大学科研团队在全球首次观察到引力子的“投影”

记者从南京大学获悉，该校物理学院杜灵杰教授率领的国际科研团队，在量子物理领域取得重大进展，首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”。相关论文28日在线发表于国际学术期刊《自然》。

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。”

（左）量子度规描述运行轨道的形状。（右）轨道形变产生最低能量长波激发。“南京大学”微信公号 图

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”。

圆偏振光测量引力子激发  “南京大学”微信公号 图

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。

团队花费3年多的时间，在南京大学校园内自主设计、集成组装了一套实验装置。“你可以把它理解为一座两层楼高的‘显微镜’。”杜灵杰说，经测试，该装置的多项测量参数达到世界领先水平。

依靠这一利器，团队成功在砷化镓半导体量子阱中观察到分数量子霍尔效应引力子，并分别从自旋、动量、能量三个角度确认了相关实验证据。

“这是引力子概念自二十世纪三十年代被提出以来，首次在实验中观察到它的‘投影’。”杜灵杰表示，团队将继续深入研究引力子物理世界，“期待这座‘显微镜’给我们带来更多量子前沿领域的新发现。”