世界上首次观察到引力子激发

近日，南京大学物理学院杜灵杰教授领衔的国际团队利用极端条件下的偏振光散射技术，在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量，在世界上首次观察到引力子激发，即引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。相关研究发表于3月28日的国际学术期刊《自然》。

引力子的研究，一直是物理学研究的终极问题之一。近年来，有理论物理学家提出，分数量子霍尔效应中可能存在着引力子激发，也被称为分数量子霍尔效应引力子。

“引力子激发是凝聚态物质中的一种准粒子或者集体激发现象，它具有引力子特征，但不是一种真正的粒子。”论文的通讯作者、南大教授杜灵杰告诉科技日报记者，引力子激发作为分数量子霍尔效应几何理论的重要结论，对凝聚态物理有着非常重要的意义。但遗憾的是，分数量子霍尔效应引力子，像是一个谜一样的存在，人们此前一直没有发现。

2019年，杜灵杰团队在分数量子霍尔效应中发现了一种新的集体激发，这一结果随即被理论物理学家们认为可能是分数量子霍尔效应引力子，并提出了检测该引力子的关键自旋测量方案。

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圆偏振光测量引力子激发

寻找分数量子霍尔效应引力子，成为杜灵杰团队新的目标。他们花费3年多时间，在南大自主设计、组装了一台极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。该系统像一个特殊的“望远镜”，有两层楼高，可以在零下273.1摄氏度下，捕捉到最低达10G赫兹的微弱激发现象，并判断其自旋。

“依靠这一利器，我们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。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。”杜灵杰说，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。这些发现，是引力子这一概念被提出以来，首次在实验上发现具有引力子特征的准粒子。实验结果为在凝聚态系统中研究量子引力相关物理开辟了新的视野，为拓扑量子计算的分数态波函数验证奠定了实验基础，开辟了拓扑关联物态几何效应实验研究的新方向。