In ciò che potrebbe rivelarsi una scoperta rivoluzionaria, un team di scienziati ha presentato le prime prove sperimentali di eccitazioni collettive con spin chiamate modi gravitonici chirali (CGM) in un materiale quantistico.
Alla ricerca dei gravitoni nel regno quantistico I CGM sembrano simili ai gravitoni, particelle elementari ipotetiche che si ritiene diano origine alla gravità , una delle forze fondamentali dell'universo.
Nonostante il loro ruolo cruciale nella nostra comprensione dell'universo, i gravitoni devono ancora essere scoperti, e la causa ultima della gravità rimane un mistero.
La capacità di studiare particelle simili ai gravitoni in laboratorio potrebbe aiutare a colmare il divario tra la meccanica quantistica e le teorie della relatività di Einstein, risolvendo un dilemma fondamentale in fisica ed espandendo la nostra comprensione dell'universo.
"Il nostro esperimento segna la prima sostanziazione sperimentale di questo concetto di gravitoni, proposto dai lavori pionieristici in gravità quantistica dagli anni '30, in un sistema di materia condensata", ha detto Lingjie Du, ex postdoc della Columbia e autore senior dell'articolo.
Scoperta dei CGM nei liquidi effetto frazionario di Hall quantistico Il team ha scoperto la particella in un tipo di materia condensata chiamata liquido effetto frazionario di Hall quantistico (FQHE).
Questi liquidi sono sistemi di elettroni fortemente interagenti che si verificano in due dimensioni a campi magnetici elevati e basse temperature.
Possono essere descritti teoricamente utilizzando la geometria quantistica, concetti matematici emergenti che si applicano alle minute distanze fisiche in cui la meccanica quantistica influenza i fenomeni fisici.
Gli elettroni in un FQHE sono soggetti a una metrica quantistica che era stata predetta per dare origine a CGM in risposta alla luce.
Tuttavia, nel decennio trascorso dalla prima proposta della teoria della metrica quantistica per gli FQHE, esistevano tecniche sperimentali limitate per testarne le previsioni.
Il fisico della Columbia, Aron Pinczuk, ha trascorso gran parte della sua carriera a studiare i misteri dei liquidi FQHE e a sviluppare strumenti sperimentali per sondare tali complessi sistemi quantistici.
Il suo laboratorio e i suoi alunni in tutto il mondo hanno continuato la sua eredità , tra cui gli autori dell'articolo Ziyu Liu, Lingjie Du e Ursula Wurstbauer.
"Aron ha introdotto l'approccio allo studio di fasi esotiche della materia, comprese le fasi emergenti nella nanotecnologia dei solidi, attraverso gli spettri di eccitazione collettiva a bassa energia che sono le loro impronte digitali uniche", ha commentato Wurstbauer, coautore del lavoro attuale.
"Sono davvero felice che la sua ultima proposta di genio e idea di ricerca sia stata così di successo e ora è pubblicata su Nature. Tuttavia, è triste che non possa festeggiarlo con noi. Ha sempre posto una forte attenzione sulle persone dietro i risultati", ha concluso.
Una delle tecniche stabilite da Pinczuk era chiamata spettroscopia inelastica risonante a bassa temperatura, che misura come le particelle di luce, o fotoni, si disperdono quando colpiscono un materiale, rivelando così le proprietà sottostanti del materiale.
Liu e i suoi coautori hanno adattato la tecnica per utilizzare la luce polarizzata circolarmente, in cui i fotoni hanno uno spin particolare.
Quando i fotoni polarizzati interagiscono con una particella come un CGM che ha anche uno spin, il segno dello spin dei fotoni cambierà in risposta in modo più distintivo rispetto a se interagissero con altri tipi di modi.
Utilizzando campioni preparati dai collaboratori di lunga data di Pinczuk a Princeton, Liu e il fisico della Columbia Cory Dean hanno completato una serie di misurazioni presso la Columbia.
Hanno quindi inviato il campione per esperimenti in attrezzature ottiche a bassa temperatura che Du ha impiegato oltre tre anni a costruire nel suo nuovo laboratorio in Cina.
Hanno osservato proprietà fisiche coerenti con quelle previste dalla geometria quantistica per i CGM, tra cui la loro natura a spin-2, i gap energetici caratteristici tra i suoi stati fondamentali ed eccitati e la dipendenza dai cosiddetti fattori di riempimento, che collegano il numero di elettroni nel sistema al suo campo magnetico.
I CGM condividono quelle caratteristiche con i gravitoni, una particella ancora non scoperta prevista per giocare un ruolo critico nella gravità .
Sia i CGM che i gravitoni sono il risultato di fluttuazioni metriche quantizzate, spiega Liu, in cui la trama dello spaziotempo viene casualmente tirata e allungata in diverse direzioni.
La teoria dietro i risultati del team può quindi potenzialmente collegare due sotto-campi della fisica: la fisica delle alte energie, che opera su scale di dimensioni più grandi dell'universo, e la fisica della materia condensata, che studia i materiali e le interazioni atomiche ed elettroniche che conferiscono loro le loro proprietà uniche.
"Per molto tempo, c'era questo mistero su come i modi collettivi a lunghezze d'onda lunghe, come i CGM, potessero essere sperimentati negli esperimenti", ha spiegato Liu.
"Forniamo prove sperimentali che supportano le previsioni della geometria quantistica," disse Liu. "Penso che Aron sarebbe molto orgoglioso di vedere questa estensione delle sue tecniche e la nuova comprensione di un sistema che ha studiato per lungo tempo," ha concluso.
La scoperta innovativa delle modalità gravitoniche chirali (CGM) in un materiale semiconduttore apre nuove vie per esplorare i misteri della gravità .
Questa scoperta potrebbe eventualmente, in sostanza, colmare il divario tra la meccanica quantistica e le teorie della relatività di Einstein.
Adattando tecniche consolidate e collaborando oltre i confini internazionali, questo team di brillanti scienziati ha fornito le prime prove sperimentali a supporto delle previsioni della geometria quantistica.
Questo studio onora il lascito del fisico scomparso Aron Pinczuk e apre la strada per future ricerche che potrebbero potenzialmente collegare la fisica ad alta energia e la fisica della materia condensata, portando a una comprensione più profonda dell'universo e delle sue forze fondamentali.
La ricerca, condotta da esperti della Columbia, dell'Università di Nanjing, di Princeton e dell'Università di Münster, è stata recentemente pubblicata nella prestigiosa rivista Nature.