양자 실험에서 중력자 같은 입자 찾기

고 컬럼비아 대학교 교수 Aaron Pinchuk의 유산을 이어가는 이번 발견은 중력에 대한 더 나은 이해를 향한 한 걸음입니다.

콜롬비아, 난징대학교, 프린스턴대학교, 뮌스터대학교의 과학자들로 구성된 팀이 저널에 글을 기고했습니다. 자연그들은 반도체 물질에서 키랄 중력자 모드(CGM)라고 불리는 스핀을 이용한 집단 여기에 대한 최초의 실험적 증거를 제공했습니다.

CGM은 아직 발견되지 않은 기본 입자인 중력자와 유사한 것으로 보입니다. 이 입자는 우주의 기본 힘 중 하나인 중력을 가정적으로 발생시키기 때문에 고에너지 양자 물리학에서 더 잘 알려져 있습니다. 궁극적인 원인은 여전히 ​​남아 있습니다. 신비.

이론물리학과 실험현실의 연결

실험실에서 중력자 같은 입자를 연구하는 능력은 양자 역학과 아인슈타인의 상대성 이론 사이의 중요한 격차를 해소하고 물리학의 주요 딜레마를 해결하고 우주에 대한 이해를 넓히는 데 도움이 될 수 있습니다.

“우리의 실험은 응축 물질 시스템에서 1930년대 이후 양자 중력에 대한 선구적인 연구를 통해 가정된 중력에 대한 최초의 실험적 개념 증명을 나타냅니다.”라고 컬럼비아 대학의 전 박사후 연구원이자 논문의 수석 저자인 Lingjie Du가 말했습니다.

양자 메트릭 및 예측

연구팀은 분수 양자 홀 효과(FQHE) 유체라고 불리는 일종의 응축 물질에서 입자를 발견했습니다. FQHE 액체는 높은 자기장과 낮은 온도에서 2차원으로 발생하는 강하게 상호 작용하는 전자 시스템입니다. 이는 양자 역학이 물리적 현상에 영향을 미치는 정확한 물리적 거리에 적용되는 새로운 수학적 개념인 양자 기하학을 사용하여 이론적으로 설명할 수 있습니다.

FQHE의 전자는 빛에 반응하여 CGM을 생성할 것으로 예상되는 양자 규모로 알려진 과정을 거칩니다. 그러나 FQHE에 대한 양자 측정 이론이 처음 제안된 이후 10년 동안 그 예측을 테스트할 수 있는 실험 기술은 제한적이었습니다.

Aaron Pinchuk의 유산: 선구적인 양자 연구

컬럼비아 대학의 물리학자인 Aaron Pinchuk은 그의 경력 대부분 동안 FQHE 유체의 신비를 연구하고 그러한 복잡한 양자 시스템을 탐색할 수 있는 실험 도구를 개발하기 위해 노력했습니다. 1998년 벨연구소에서 컬럼비아에 합류해 물리학 및 응용물리학 교수를 지낸 핀추크는 2022년 세상을 떠났지만 그의 연구실과 전 세계 동문들은 그의 유산을 이어가고 있다. 이들 동문 중에는 작년에 컬럼비아 대학에서 물리학 박사 학위를 취득한 기사 작성자 Xiu Liu, 컬럼비아 대학에서 박사후 연구원을 지낸 Du, 현재 난징 대학에 재직 중인 Du, 현재 난징 대학에 재직 중인 Ursula Forstbauer가 포함됩니다. 뮌스터대학교.

현재 연구의 공동 저자인 Forstbauer는 “Aaron은 고유한 특성을 나타내는 낮은 질량 여기 스펙트럼을 통해 고체 상태 나노시스템에서 나타나는 양자 단계를 포함하여 물질의 이국적인 단계를 연구하는 접근 방식을 개척했습니다.”라고 말했습니다. “그의 최근 천재적인 제안과 연구 아이디어가 매우 성공적이어서 이제 출판된 것이 정말 기쁩니다. 자연. 하지만 그가 우리와 함께 축하할 수 없다는 것이 슬프다. 그는 항상 결과 뒤에 있는 사람들에게 강한 초점을 맞춰왔습니다.

양자 물리학의 혁신적인 기술

Pinchuk이 개발한 기술 중 하나는 저온 비탄성 공명 산란으로, 빛 입자 또는 광자가 물질에 부딪힐 때 어떻게 산란되는지 측정하여 물질의 기본 특성을 드러냅니다.

Liu와 그의 공동 저자 자연 연구 논문에서는 광자가 특정 스핀을 갖는 원형 편광을 사용하도록 이 기술을 수정했습니다. 편광된 광자가 회전하는 CGM과 같은 입자와 상호 작용할 때 광자의 스핀 신호는 다른 유형의 모드와 상호 작용할 때보다 더 뚜렷한 방식으로 반응하여 변경됩니다.

국제협력과 양자공학

에 있는 새로운 종이 자연 국제협력이었습니다. 물리학자 Corey Dean Liu와 Columbia는 Princeton에서 Pinczuk의 오랜 협력자들이 준비한 샘플을 사용하여 Columbia에서 일련의 측정을 완료했습니다. 그런 다음 그들은 Du가 중국에 있는 그의 새로운 실험실에서 3년 이상 구축한 저온 광학 장비에 대한 실험을 위해 샘플을 보냈습니다. 그들은 스핀 2의 특성, 바닥 상태와 들뜬 상태 사이의 뚜렷한 에너지 갭, 전자 수와 관련된 소위 충전 인자에 대한 의존성을 포함하여 지속적인 관찰자를 위해 양자 공학에서 예측한 것과 일치하는 물리적 특성을 관찰했습니다. 자기장에 대한 시스템.

이론적 시사점과 향후 방향

CGM은 중력에서 중요한 역할을 할 것으로 예상되는 아직 발견되지 않은 입자인 중력자와 이러한 특성을 공유합니다. Liu는 CGM과 중력자 둘 다 시공간 구조가 무작위로 서로 다른 방향으로 당겨지고 늘어나는 양자 메트릭 변동의 결과라고 설명했습니다. 따라서 팀의 발견 이면에 있는 이론은 물리학의 두 가지 하위 분야, 즉 우주의 가장 큰 규모에 걸쳐 작동하는 고에너지 물리학과 물질과 물질에 고유한 특성을 부여하는 원자 및 전자 상호 작용을 연구하는 응집 물질 물리학을 연결할 수 있습니다. .

향후 연구에서 Liu는 편광 기술이 현재 논문에서 탐구된 것보다 더 높은 에너지 수준에서 FQHE 액체에 적용하기 쉬워야 한다고 말했습니다. 이는 또한 양자 공학이 초전도체와 같은 집단 입자의 고유한 특성을 예측하는 추가적인 유형의 양자 시스템에도 적용되어야 합니다.

Liu는 “오랫동안 CGM과 같은 장파장 집단 모드를 실험에서 테스트할 수 있는지에 대해 이러한 모호함이 있었습니다. “우리는 양자 공학의 예측을 뒷받침하는 실험적 증거를 제공하고 있습니다.”라고 Liu는 말했습니다. “내 생각에는 Aaron “그의 기술과 그가 오랫동안 연구해온 시스템에 대한 새로운 이해”에서 이러한 확장을 보게 되면 매우 자랑스러울 것입니다.

참고 자료: Jihui Liang, Xiu Liu, Zihao Yang, Yueli Huang, Ursula Forstbauer, Corey R. Dean, Ken W. West, Lauren N. Pfeiffer, Lingjie Du 및 Aaron Pinczuk의 “분수 양자 홀 유체의 키랄 중력자 모드에 대한 증거” , 2024년 3월 27일 , 자연.
도이: 10.1038/s41586-024-07201-s