南京大学杜灵杰Nature丨突破性成果!世界首次观察到引力子激发

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几何与相关性之间的相互作用可能会产生奇异的物理学。在分数量子霍尔（FQH）态中，被称为手性引力子模（CGMs）的新型集体激发被认为是量子几何描述下时空度规扰动的量子化。这种模式是引力子的凝聚态类似物，是一种自旋-2玻色子。它们的特征是具有+2或-2手性的极化态，能隙与长波长极限的基本中性集体激发（即磁旋子）相吻合。然而，至今仍未在实验中观察到CGMs。

2024年3月27日，南京大学物理学院杜灵杰教授团队在Nature期刊发表题为“Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall liquids”的研究论文，南京大学博士生梁杰辉、哥伦比亚大学博士生刘子煜为论文共同第一作者，杜灵杰教授为论文通讯作者。

杜灵杰，南京大学物理学院教授，国家海外高层次人才；专注研究以IIIV族半导体器件为基础，通过输运和光学的综合测量手段在极低温强磁场下研究新型凝聚态和拓扑态，如分数量子霍尔态和拓扑激子绝缘体等；2008年本科/2011年硕士毕业于南京大学，导师：于扬教授；2016年博士毕业于莱斯大学，导师：杜瑞瑞教授；2016-2019年于哥伦比亚大学从事博士后研究，合作导师：Aron Pinczuk教授；2019年加入南京大学物理学院。

该研究利用圆偏振光的非弹性散射首次观测到了手性自旋-2长波磁旋子，为FQH液体中CGM的存在提供了强有力的证据。当填充因子v=1/3时，在与角动量S=-2相对应的特定偏振方案下，出现了一个被确定为长波磁旋子的间隙模式，该模式在超长波长下持续存在。值得注意的是，该模式的手性在v=2/5时保持-2，但在v=2/3和3/5时变为相反。这些模式具有特征能量和尖锐峰值，与温度和填充因子有明显的相关性，证实了长波长磁旋子的特性。这些观察结果捕捉到了CGM的本质，并支持了FQH的几何描述，为揭示拓扑关联系统中丰富的量子度规效应物理学铺平了道路。

早在2019年，杜灵杰教授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。引力子模是四极激发，需要双光子过程的非弹性光散射，并且需要通过入射和散射圆偏振光的光子自旋（图1a），来确定引力子模的标志性特征：自旋-2。而在当时，国内外尚无满足要求的实验平台可以进行这一实验。不同于普通的非弹性（拉曼）光散射，该实验对设备的要求极高而且看似矛盾，并极富挑战性。①引力子模的测量要求极低的温度（约50mK）和强磁场（约10T），需要稀释制冷机来实现；②砷化镓的能隙要求入射光为可见光，可见光通过制冷机外壳上的透明窗口照射到样品，但是可见光以及透明窗口本身的辐射却容易将极低温下的样品温度升至100mK以上；③由于引力子模的能量极低（在该工作  中最低只有约为70GHz），需要实现入射光频率连续可调的微波波段的非弹性光散射测量，而这种极低波数的测量即使在室温也是很困难的。况且整个极低温的光散射测量对振动环境也极为敏感，而稀释制冷机却有着脉冲管等一系列振动源。不仅如此，该实验还需要利用光的圆偏振性质对引力子模的自旋进行测量，因此这一实验一度被认为是不可能完成的。

杜灵杰教授带领团队，花费数年时间，克服重重困难，通过精巧的设计实现了看似矛盾的测量要求，通过自主设计、集成组装了一台根植于干式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1d）。这一测量平台可以在50mk和14T下测量最低达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了国际领先水平，为测量引力子模奠定了实验基础。

研究团队利用共振非弹性偏振光散射，在高迁移率砷化镓量子阱的两维电子气中，测量了分数量子霍尔态的集体激发（图1e）并通过在长波极限下改变激发动量，确定了长波磁旋子激发。通过改变入射和散射光的自旋（图2a），在主要的分数量子霍尔态（图2b-e），观察到该激发具有自旋-2的特性且是手性的（图3a）。并且测量到的激发峰宽极小，说明激发过程动量守恒，证实了引力子模的长波动量特性（图3b），而测到的能量在m/n分数态正比于 E_c/n（E_c为库伦能），符合其能量特性（图3c）。这些结果从自旋，动量和能量角度充分提供了理论预测的引力子模的实验证据。

图1. 引力子模和非弹性光散射

图3. θ=10°时FQH状态中Δm0模式的圆偏振依赖性

图4. FQH态中的手性自旋-2长波磁旋子模式

总之，该研究中观察到的CGMs揭示了拓扑序中的量子度规，为FQH效应的新几何理论提供了关键实验证据。该研究开辟了拓扑关联物态中量子几何效应实验研究的新方向，为拓扑量子计算的分数态波函数验证奠定了实验基础。另一方面，这项工作从凝聚态角度揭示了度规扰动的量子化是自旋-2的激发，这一概念来自于1930年代的量子引力理论但此前从未有实验支持。实验结果提供了在凝聚态系统中研究量子引力相关物理的新机会。

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