Encontrar partículas similares a gravitones en experimentos cuánticos

Los hallazgos, que continúan el legado del fallecido profesor de la Universidad de Columbia, Aaron Pinchuk, son un paso hacia una mejor comprensión de la gravedad.

Un equipo de científicos de Columbia, la Universidad de Nanjing, Princeton y la Universidad de Münster escriben en la revista naturalezaProporcionaron la primera evidencia experimental de excitación colectiva con espín llamado modos de gravitón quirales (CGM) en un material semiconductor.

El CGM parece parecerse a un gravitón, una partícula elemental aún no descubierta que es más conocida en la física cuántica de alta energía porque hipotéticamente da lugar a la gravedad, una de las fuerzas fundamentales del universo, cuya causa última sigue siendo una misterio.

Uniendo la física teórica y la realidad experimental

La capacidad de estudiar partículas similares a gravitones en el laboratorio podría ayudar a cerrar brechas críticas entre la mecánica cuántica y las teorías de la relatividad de Einstein, resolviendo un importante dilema en física y ampliando nuestra comprensión del universo.

«Nuestro experimento representa la primera prueba experimental de concepto para los gravitones, postulada por un trabajo pionero en gravedad cuántica desde la década de 1930, en un sistema de materia condensada», dijo Lingjie Du, ex investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia y autor principal del artículo.

Métrica cuántica y sus predicciones.

El equipo descubrió la partícula en un tipo de materia condensada llamada fluido de efecto Hall cuántico fraccional (FQHE). Los líquidos FQHE son un sistema de electrones que interactúan fuertemente y que se producen en dos dimensiones en campos magnéticos elevados y bajas temperaturas. Se puede describir teóricamente utilizando la geometría cuántica, que son conceptos matemáticos emergentes que se aplican a las distancias físicas precisas sobre las cuales la mecánica cuántica afecta los fenómenos físicos.

Los electrones del FQHE pasan por lo que se conoce como una escala cuántica que se esperaba que diera lugar a CGM en respuesta a la luz. Sin embargo, en la década transcurrida desde que se propuso por primera vez la teoría de la medición cuántica para FQHE, ha habido técnicas experimentales limitadas para probar sus predicciones.

El legado de Aaron Pinchuk: investigación cuántica pionera

Durante la mayor parte de su carrera, el físico Aaron Pinchuk de la Universidad de Columbia ha estudiado los misterios de los fluidos FQHE y trabajado para desarrollar herramientas experimentales que puedan explorar sistemas cuánticos tan complejos. Pinchuk, que se unió a Columbia procedente de los Laboratorios Bell en 1998 y fue profesor de física y física aplicada, murió en 2022, pero su laboratorio y sus alumnos de todo el mundo han continuado su legado. Estos alumnos incluyen a los autores del artículo Xiu Liu, que se graduó con un doctorado en física en Columbia el año pasado, y Du, ex investigadores postdoctorales en Columbia, Du, ahora en la Universidad de Nanjing, y Ursula Forstbauer, ahora en la Universidad de Nanjing. Universidad de Munster.

«Aaron fue pionero en el enfoque de estudiar fases exóticas de la materia, incluidas las fases cuánticas que emergen en nanosistemas de estado sólido, a través de espectros de excitación de masas bajas que representan su firma única», comentó Forstbauer, coautor del trabajo actual. “Estoy muy feliz de que su última genial sugerencia e idea de investigación haya tenido tanto éxito y ahora se haya publicado en naturaleza. Pero es triste que no pueda celebrar con nosotros. Siempre se ha centrado mucho en las personas que están detrás de los resultados.

Técnicas innovadoras en física cuántica

Una técnica que creó Pinchuk se llamó dispersión resonante inelástica a baja temperatura, que mide cómo las partículas de luz, o fotones, se dispersan cuando chocan contra un material, revelando así las propiedades fundamentales del material.

Liu y sus coautores naturaleza Un trabajo de investigación modificó esta técnica para utilizar lo que se conoce como luz polarizada circularmente, donde los fotones tienen un cierto giro. Cuando los fotones polarizados interactúan con una partícula como un CGM que también está girando, la señal de giro de los fotones cambiará en respuesta de una manera más distinta que si estuvieran interactuando con otros tipos de modos.

Cooperación internacional e ingeniería cuántica

El nuevo documento en naturaleza Fue cooperación internacional. Utilizando muestras preparadas por los antiguos colaboradores de Pinczuk en Princeton, el físico Corey Dean Liu y Columbia completaron una serie de mediciones en Columbia. Luego enviaron la muestra para experimentos con equipos ópticos de baja temperatura que Du pasó más de tres años construyendo en su nuevo laboratorio en China. Observaron propiedades físicas consistentes con las predichas por la ingeniería cuántica para observadores continuos, incluida la naturaleza del espín 2, las distintas brechas de energía entre sus estados fundamental y excitado, y la dependencia de los llamados factores de llenado, que relacionan el número de electrones en un sistema a su campo magnético.

Implicaciones teóricas y direcciones futuras.

Los CGM comparten estas propiedades con los gravitones, una partícula aún no descubierta que se espera que desempeñe un papel crucial en la gravedad. Liu explicó que tanto los CGM como los gravitones son el resultado de fluctuaciones métricas cuánticas, donde el tejido del espacio-tiempo se tira y se estira aleatoriamente en diferentes direcciones. Así, la teoría detrás de los hallazgos del equipo podría vincular dos subcampos de la física: la física de altas energías, que funciona en las escalas más grandes del universo, y la física de la materia condensada, que estudia los materiales y las interacciones atómicas y electrónicas que les confieren sus propiedades únicas. .

En trabajos futuros, Liu dice que la técnica de la luz polarizada debería ser fácil de aplicar a líquidos FQHE con niveles de energía más altos que los explorados en el artículo actual. También debería aplicarse a otros tipos de sistemas cuánticos, donde la ingeniería cuántica predice propiedades únicas de partículas colectivas, como los superconductores.

«Durante mucho tiempo, ha existido esta ambigüedad sobre cómo los modos colectivos de longitud de onda larga, como los MCG, pueden probarse en experimentos. «Estamos proporcionando evidencia experimental que respalda las predicciones de la ingeniería cuántica», dijo Liu. «Creo que Aaron Estaría muy orgulloso de ver esta expansión en «sus técnicas y nueva comprensión del sistema que había estudiado durante tanto tiempo».

Referencia: “Evidencia de modos de gravitones quirales en fluidos Hall cuánticos fraccionarios” por Jihui Liang, Xiu Liu, Zihao Yang, Yueli Huang, Ursula Forstbauer, Corey R. Dean, Ken W. West, Lauren N. Pfeiffer, Lingjie Du y Aaron Pinczuk , 27 de marzo de 2024 , naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07201-s