Исследователи представили первое экспериментальное доказательство существования гравитоноподобных частиц — гипотетических частиц, которые, как предполагается, "переносят" гравитацию.
Названные "хиральными гравитонными модами (ХГМ)", они (в случае данного эксперимента) представляют собой коллективные возбуждения в полупроводниковом материале, которые ведут себя как частицы и демонстрируют характеристики, характерные для гравитонов. Это открытие может помочь улучшить наше понимание Вселенной, в частности, способствуя потенциальному "объединению" общей теории относительности и квантовой механики.
Гравитон — это гипотетическая элементарная частица, переносящая гравитацию. Предложенный в 1930-х годах, он в основном теоретизируется в системах квантовой гравитации. По аналогии его можно сравнить с резинкой в рогатке, которая удерживает камень и передает ему силу, необходимую для того, чтобы толкать его в нужном направлении. Таким образом, чем больше гравитонов в гравитационном поле, тем оно мощнее.
Однако, несмотря на десятилетия исследований, эти знаменитые частицы так и не были обнаружены. Опубликованная в 1993 году работа физика Арона Пинчука (умершего в 2022 году) привела к открытию частиц, которые оказались ближе всего. Продолжая его работу, его команда и бывшие студенты предоставляют первые экспериментальные доказательства, которые, наконец, могут привести к открытию этих неуловимых частиц.
"Наш эксперимент — первое экспериментальное обоснование концепции гравитона, постулированной пионерами квантовой гравитации с 1930-х годов, в системе конденсированного вещества", — объясняет в пресс-релизе Линьцзе Ду, бывший постдокторант Колумбийского университета, ныне работающий в Нанкинском университете в Китае. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Характеристики, характерные для гравитонов Работа Пинчука указывает на возможность обнаружения особого типа частиц в специфическом типе конденсированного вещества, называемого жидкостью с дробным квантовым эффектом Холла (FQHE).
"Арон стал пионером в изучении экзотических фаз материи, включая возникающие квантовые фазы в твердотельных наносистемах, используя спектры низколежащих коллективных возбуждений", — объясняет соавтор исследования Урсула Вурстбауэр из Университета Мюнстера (Германия).
Жидкость FQHE - это система электронов, которые сильно взаимодействуют друг с другом при очень низких температурах и очень высоких магнитных полях. Другими словами, эта жидкость не является однородной, а демонстрирует коллективные движения электронов, которые могут приводить к возникновению странных частицеподобных возбуждений (ХГМ, упомянутых в начале статьи) в ответ на свет.
Этот тип жидкости также был описан теоретически с помощью квантовой геометрии и математических концепций, применимых к субатомным масштабам. Однако до сих пор не существовало экспериментальных методик, подтверждающих эти гипотезы. "С теоретической точки зрения история была достаточно полной, но в том, что касается экспериментов, мы не были уверены", — рассказал New Scientist Цзыюй Лю из Колумбийского университета, который также участвовал в исследовании.
В своем эксперименте Лю и его коллеги адаптировали методику, предложенную Пинчуком 30 лет назад, под названием "резонансная неупругая диффузия при низкой температуре". Эта методика измеряет движение фотонов при взаимодействии с материалом, что позволяет анализировать его свойства. Однако в новом исследовании используется циркулярно поляризованный лазер, в котором фотоны имеют определенный спин. Когда эти поляризованные фотоны взаимодействуют с частицей ХГМ (которая также имеет спин), их спин значительно меняется. Чтобы получить жидкость FQHE и наблюдать эти эффекты, исследователи использовали двумерную полупроводящую поверхность арсенида галлия. Художественное представление экспериментального протокола исследования: световое зондирование ХГМ в жидкости FQHE.
Они наблюдали возбуждения, характеристики которых совпадают с теми, что предсказывает квантовая геометрия для ХГМ, например, спин-2. Эти свойства были теоретически предсказаны только для гравитонов. Как и гравитоны, ХГМ являются результатом квантованных метрических флуктуаций, при которых пространственное время случайным образом растягивается в разных направлениях. Это говорит о том, что теория, лежащая в основе этих результатов, может потенциально связать физику высоких энергий (которая работает на самых больших масштабах во Вселенной) и физику конденсированных сред (которая занимается изучением материалов и атомных взаимодействий). Она также предлагает потенциальное объединение двух фундаментально несовместимых принципов: общей относительности и квантовой механики.
Однако важно отметить, что эта экспериментальная система не отражает пространство-время как таковое. Фактически, в этой системе электроны ограничены двумерным пространством и движутся гораздо медленнее, чем электроны, управляемые теорией относительности. Поэтому данный экспериментальный протокол может быть использован для некоторых теорий квантовой гравитации, но не для изучения всех квантовых явлений, происходящих в пространстве-времени в космических масштабах. Тем не менее специалисты утверждают, что метод поляризованного света может быть использован с жидкостями FQHE на более высоких энергетических уровнях, чем те, которые были изучены в данном исследовании, что расширяет область его применения на другие квантовые системы.