Forscher finden erste experimentelle Beweise für ein gravitonähnliches Teilchen in einem Quantenmaterial

Ein Team von Wissenschaftlern aus Columbia, der Nanjing University, Princeton und der University of Munster schreibt in der Zeitschrift Naturhaben den ersten experimentellen Beweis für kollektive Anregungen mit Spin, sogenannte chirale Gravitonmoden (CGMs), in einem halbleitenden Material vorgelegt.

Ein CGM scheint einem Graviton zu ähneln, einem noch zu entdeckenden Elementarteilchen, das in der Hochenergie-Quantenphysik besser dafür bekannt ist, dass es hypothetisch die Schwerkraft hervorbringt, eine der Grundkräfte im Universum, deren letztendliche Ursache rätselhaft bleibt.

Die Möglichkeit, gravitonähnliche Teilchen im Labor zu untersuchen, könnte dazu beitragen, kritische Lücken zwischen der Quantenmechanik und Einsteins Relativitätstheorien zu schließen, ein großes Dilemma in der Physik zu lösen und unser Verständnis des Universums zu erweitern.

„Unser Experiment stellt die erste experimentelle Untermauerung dieses Gravitonenkonzepts dar, das in bahnbrechenden Arbeiten zur Quantengravitation seit den 1930er Jahren in einem System kondensierter Materie postuliert wurde“, sagte Lingjie Du, ein ehemaliger Postdoktorand der Columbia University und leitender Autor des Artikels.

Das Team entdeckte das Teilchen in einer Art kondensierter Materie, die als Flüssigkeit mit fraktioniertem Quanten-Hall-Effekt (FQHE) bezeichnet wird. FQHE-Flüssigkeiten sind ein System stark wechselwirkender Elektronen, die bei hohen Magnetfeldern und niedrigen Temperaturen in zwei Dimensionen auftreten. Sie können mithilfe der Quantengeometrie theoretisch beschrieben werden, wobei mathematische Konzepte entstehen, die auf die winzigen physikalischen Entfernungen anwendbar sind, bei denen die Quantenmechanik physikalische Phänomene beeinflusst.

Elektronen in einem FQHE unterliegen einer sogenannten Quantenmetrik, von der vorhergesagt wurde, dass sie als Reaktion auf Licht CGMs hervorruft. Allerdings gab es in dem Jahrzehnt, seit die quantenmetrische Theorie erstmals für FQHEs vorgeschlagen wurde, nur begrenzte experimentelle Techniken, um ihre Vorhersagen zu testen.

Der kolumbianische Physiker Aron Pinczuk erforschte einen Großteil seiner Karriere die Geheimnisse von FQHE-Flüssigkeiten und arbeitete an der Entwicklung experimenteller Werkzeuge, mit denen solch komplexe Quantensysteme untersucht werden könnten. Pinczuk, der 1998 von den Bell Labs nach Columbia kam und Professor für Physik und angewandte Physik war, verstarb im Jahr 2022, aber sein Labor und seine Alumni auf der ganzen Welt führen sein Erbe fort. Zu diesen Alumni gehört der Artikelautor Ziyu Liu, der seinen Ph.D. abschloss. in Physik letztes Jahr von Columbia und die ehemaligen Columbia-Postdocs Du, jetzt an der Universität Nanjing, und Ursula Wurstbauer, jetzt an der Universität Münster.

„Aron leistete Pionierarbeit bei der Untersuchung exotischer Phasen der Materie, einschließlich entstehender Quantenphasen in Festkörper-Nanosystemen, anhand der tiefliegenden kollektiven Anregungsspektren, die ihre einzigartigen Fingerabdrücke darstellen“, kommentierte Wurstbauer, Mitautor der aktuellen Arbeit.

„Ich bin wirklich froh, dass sein letzter genialer Vorschlag und seine letzte Forschungsidee so erfolgreich waren und jetzt veröffentlicht werden Natur. Es ist jedoch traurig, dass er es nicht mit uns feiern kann. Er legte stets großen Wert auf die Menschen hinter den Ergebnissen.“

Eine der von Pinczuk entwickelten Techniken wurde als resonante inelastische Streuung bei niedriger Temperatur bezeichnet. Dabei wird gemessen, wie Lichtteilchen oder Photonen gestreut werden, wenn sie auf ein Material treffen, und so die zugrunde liegenden Eigenschaften des Materials offenlegen.

Liu und seine Co-Autoren des Artikels haben die Technik angepasst, um sogenanntes zirkular polarisiertes Licht zu verwenden, bei dem die Photonen einen bestimmten Spin haben. Wenn die polarisierten Photonen mit einem Teilchen wie einem CGM interagieren, das sich ebenfalls dreht, ändert sich das Vorzeichen des Spins der Photonen als Reaktion auf eine deutlichere Art und Weise, als wenn sie mit anderen Arten von Moden interagieren würden.

Das neue Papier war eine internationale Zusammenarbeit. Anhand von Proben, die von Pinczuks langjährigen Mitarbeitern in Princeton, Liu und Columbia hergestellt wurden, führte der Physiker Cory Dean eine Reihe von Messungen in Columbia durch. Anschließend schickten sie die Probe für Experimente mit optischen Niedertemperaturgeräten, die Du über drei Jahre lang in seinem neuen Labor in China aufgebaut hatte.

Sie beobachteten physikalische Eigenschaften, die mit denen übereinstimmen, die von der Quantengeometrie für CGMs vorhergesagt wurden, einschließlich ihrer Spin-2-Natur, charakteristischen Energielücken zwischen ihrem Grund- und angeregten Zustand und der Abhängigkeit von sogenannten Füllfaktoren, die die Anzahl der Elektronen im System in Beziehung setzen sein Magnetfeld.

CGMs teilen diese Eigenschaften mit Gravitonen, einem noch unentdeckten Teilchen, von dem vorhergesagt wird, dass es eine entscheidende Rolle bei der Schwerkraft spielt. Sowohl CGMs als auch Gravitonen seien das Ergebnis quantisierter metrischer Fluktuationen, erklärte Liu, bei denen das Gefüge der Raumzeit zufällig in verschiedene Richtungen gezogen und gedehnt werde.

Die Theorie hinter den Ergebnissen des Teams kann daher möglicherweise zwei Teilgebiete der Physik verbinden: die Hochenergiephysik, die sich über die größten Skalen des Universums erstreckt, und die Physik der kondensierten Materie, die Materialien und die atomaren und elektronischen Wechselwirkungen untersucht, die ihnen ihre einzigartigen Eigenschaften verleihen.

In zukünftigen Arbeiten sollte sich die Technik mit polarisiertem Licht laut Liu problemlos auf FQHE-Flüssigkeiten bei höheren Energieniveaus anwenden lassen, als sie in der aktuellen Arbeit untersucht wurden. Es sollte auch für weitere Arten von Quantensystemen gelten, bei denen die Quantengeometrie einzigartige Eigenschaften kollektiver Teilchen vorhersagt, beispielsweise Supraleiter.

„Lange Zeit gab es dieses Rätsel darüber, wie langwellige kollektive Moden wie CGMs in Experimenten untersucht werden könnten. Wir liefern experimentelle Beweise, die Vorhersagen der Quantengeometrie stützen“, sagte Liu. „Ich glaube, Aron wäre sehr stolz, wenn er diese Erweiterung seiner Techniken und sein neues Verständnis eines Systems sehen würde, das er schon lange studiert hat.“