Un team di scienziati della Columbia, dell'Università di Nanchino, di Princeton e dell'Università di Munster, scrive sulla rivista Nature , hanno presentato la prima prova sperimentale di eccitazioni collettive con spin chiamate modalità gravitoniche chirali (CGM) in un materiale semiconduttore.
Un CGM sembra essere simile a un gravitone, una particella elementare ancora da scoprire meglio conosciuta nella fisica quantistica delle alte energie per aver ipoteticamente dato origine alla gravità, una delle forze fondamentali dell’universo, la cui causa ultima rimane misteriosa.
La capacità di studiare particelle simili ai gravitoni in laboratorio potrebbe contribuire a colmare le lacune critiche tra la meccanica quantistica e le teorie della relatività di Einstein, risolvendo un importante dilemma della fisica ed espandendo la nostra comprensione dell'universo.
"Il nostro esperimento segna la prima conferma sperimentale di questo concetto di gravitoni, postulato da lavori pionieristici sulla gravità quantistica a partire dagli anni '30, in un sistema di materia condensata", ha affermato Lingjie Du, ex postdoc della Columbia e autore senior dell'articolo.>
Il team ha scoperto la particella in un tipo di materia condensata chiamata liquido ad effetto Hall quantistico frazionario (FQHE). I liquidi FQHE sono un sistema di elettroni fortemente interagenti che si presentano in due dimensioni ad alti campi magnetici e basse temperature. Possono essere descritti teoricamente utilizzando la geometria quantistica, concetti matematici emergenti che si applicano alle minuscole distanze fisiche alle quali la meccanica quantistica influenza i fenomeni fisici.
Gli elettroni in un FQHE sono soggetti a quella che è nota come metrica quantistica che si prevede darebbe origine a CGM in risposta alla luce. Tuttavia, nel decennio trascorso da quando la teoria della metrica quantistica fu proposta per la prima volta per gli FQHE, esistevano tecniche sperimentali limitate per testare le sue previsioni.
Per gran parte della sua carriera, il fisico della Columbia Aron Pinczuk ha studiato i misteri dei liquidi FQHE e ha lavorato per sviluppare strumenti sperimentali in grado di sondare sistemi quantistici così complessi. Pinczuk, entrato alla Columbia dai Bell Labs nel 1998 ed era professore di fisica e fisica applicata, è morto nel 2022, ma il suo laboratorio e i suoi ex studenti in tutto il mondo hanno portato avanti la sua eredità. Tra questi ex studenti figurano gli autori di articoli Ziyu Liu, che si è laureato con il suo dottorato di ricerca. in fisica alla Columbia l'anno scorso, e gli ex postdoc della Columbia Du, ora all'Università di Nanchino, e Ursula Wurstbauer, ora all'Università di Münster.
"Aron è stato il pioniere dell'approccio di studio delle fasi esotiche della materia, comprese le fasi quantistiche emergenti nei nanosistemi a stato solido, mediante gli spettri di eccitazione collettiva bassi che sono le loro impronte digitali uniche", ha commentato Wurstbauer, un coautore del lavoro attuale.
"Sono davvero felice che la sua ultima proposta geniale e idea di ricerca abbia avuto così tanto successo e sia ora pubblicata su Nature . Tuttavia è triste che non possa celebrarlo con noi. Ha sempre posto una forte attenzione alle persone dietro i risultati."
Una delle tecniche ideate da Pinczuk è stata chiamata diffusione anelastica risonante a bassa temperatura, che misura il modo in cui le particelle di luce, o fotoni, si diffondono quando colpiscono un materiale, rivelando così le proprietà sottostanti del materiale.
Liu e i suoi coautori hanno adattato la tecnica per utilizzare la cosiddetta luce polarizzata circolarmente, in cui i fotoni hanno una rotazione particolare. Quando i fotoni polarizzati interagiscono con una particella come un CGM che ruota anch'essa, il segno della rotazione dei fotoni cambierà in risposta in un modo più distintivo che se interagissero con altri tipi di modalità.
Il nuovo documento è stato una collaborazione internazionale. 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 alla Columbia. Hanno quindi inviato il campione per esperimenti su apparecchiature ottiche a bassa temperatura che Du ha costruito per oltre tre anni nel suo nuovo laboratorio in Cina.
Hanno osservato proprietà fisiche coerenti con quelle previste dalla geometria quantistica per i CGM, inclusa la loro natura di spin 2, i caratteristici divari energetici tra i suoi stati fondamentale ed eccitato e la dipendenza dai cosiddetti fattori di riempimento, che mettono in relazione il numero di elettroni nel sistema con il suo campo magnetico.
I CGM condividono queste caratteristiche con i gravitoni, una particella ancora da scoprire che si prevede svolga un ruolo critico nella gravità. Sia i CGM che i gravitoni sono il risultato di fluttuazioni metriche quantizzate, ha spiegato Liu, in cui il tessuto dello spaziotempo viene tirato e allungato casualmente in diverse direzioni.
La teoria alla base dei risultati del team può quindi potenzialmente collegare due sottocampi della fisica:la fisica delle alte energie, che opera su scala più ampia 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.
Nel lavoro futuro, Liu afferma che la tecnica della luce polarizzata dovrebbe essere semplice da applicare ai liquidi FQHE a livelli energetici più elevati rispetto a quelli esplorati nel documento attuale. Dovrebbe applicarsi anche ad altri tipi di sistemi quantistici in cui la geometria quantistica prevede proprietà uniche delle particelle collettive, come i superconduttori.
"Per molto tempo, è rimasto questo mistero su come i modi collettivi a lunga lunghezza d'onda, come i CGM, potessero essere sondati negli esperimenti. Forniamo prove sperimentali che supportano le previsioni della geometria quantistica", ha detto Liu. "Penso che Aron sarebbe molto orgoglioso di vedere questa estensione delle sue tecniche e una nuova comprensione di un sistema che aveva studiato a lungo."
Ulteriori informazioni: Jiehui Liang et al, Prove per modalità gravitoniche chirali nei liquidi Hall quantistici frazionari, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07201-w
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito da Columbia University Quantum Initiative
