Важное открытие: наконец найдена частица, очень похожая на гравитон
Ученые из Колумбийского университета (США), Нанкинского университета (Китай), Принстона (США) и Мюнстерского университета (Германия) в журнале Nature представили первые экспериментальные доказательства существования киральной гравитонной моды (chiral graviton modes, CGM) в полупроводниковом материале.
CGM, по-видимому, очень похожа на гравитон, еще не открытую элементарную частицу. В квантовой физике высоких энергий считается, что гравитон должен порождать гравитацию, одну из фундаментальных сил Вселенной, которая во многом остается загадочной. Возможность изучать гравитоноподобные частицы в лаборатории может помочь заполнить критические пробелы между квантовой механикой и теориями относительности Эйнштейна, решить главную дилемму в физике и расширить наше понимание мира.
«Наш эксперимент знаменует собой первое экспериментальное обоснование концепции гравитонов в системе конденсированного вещества, выдвинутой работами в области квантовой гравитации с 1930-х годов», — сказал Линцзе Ду, старший автор статьи.
Команда обнаружила частицу в типе вещества, называемом жидкостью с дробным квантовым эффектом Холла (FQHE). Такие жидкости представляют собой систему сильно взаимодействующих электронов, которые возникают в двух измерениях при сильных магнитных полях и низких температурах. Их можно теоретически описать с помощью квантовой геометрии — новой математической концепции, применимой к мельчайшим физическим расстояниям, когда квантовая механика влияет на физические явления.
Электроны там подчиняются так называемой квантовой метрике, которая, как было предсказано, приводит к образованию CGM в ответ на свет. Однако за десять лет, прошедших с тех пор, как квантово-метрическая теория была впервые предложена, это было невозможно проверить экспериментально.
Один из теоретически разработанных методов называется низкотемпературным резонансным неупругим рассеянием. Он измеряет, как частицы света, фотоны, рассеиваются при попадании на материал, тем самым раскрывая основные свойства материала. Авторы исследования адаптировали эту технику для использования так называемого циркулярно поляризованного света, в котором фотоны имеют определенный спин (особенности вращения). Когда поляризованные фотоны взаимодействуют с частицей, такой как CGM, которая вращается также, как они, знак спина фотонов будет меняться в ответ более отчетливо, показывая присутствие этих частиц.
Авторы наблюдали физические свойства, соответствующие предсказаниям квантовой геометрии для CGM: спин 2, характерные энергетические зазоры между основным и возбужденным состояниями, а также зависимость от так называемых факторов заполнения, которые связывают количество электронов в системе с его магнитным полем.
Эти характеристики CGM очень сильно напоминают то, что описано для гравитона. И CGM, и гравитоны являются результатом квантованных геометрических флуктуаций (колебаний, изменений), при которых ткань пространства-времени беспорядочно растягивается в разных направлениях.
Таким образом, теория, лежащая в основе полученных результатов, потенциально может объединить две области физики: физику высоких энергий, которая работает в самых больших масштабах Вселенной, и физику конденсированного состояния, которая изучает материалы, а также атомные и электронные взаимодействия, которые придают им уникальные свойства.
«Долгое время вопрос о том, как длинноволновые коллективные моды, такие как CGM, можно исследовать в экспериментах, оставался загадкой. Мы предоставляем экспериментальные данные, подтверждающие предсказания квантовой геометрии», — сказал Цзию Лю, один из авторов исследования.
Безусловно, потребуются (и последуют) дополнительные проверки результатов этого исследования, но то, что было предложено авторами в одном из самых престижных научных журналов мира, уже впечатляет.
