南京大學(xué)物理學(xué)院杜靈杰教授率領(lǐng)的國際科研團(tuán)隊，在量子物理領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”。相關(guān)論文28日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

杜靈杰介紹，引力子和引力波對應(yīng)，后者已經(jīng)被實驗所證實，而引力子尚未被直接觀察到。“引力子是廣義相對論與量子力學(xué)理論相結(jié)合的產(chǎn)物，如果能證實這種神秘粒子存在，可能有助于實現(xiàn)兩大理論的統(tǒng)一，這對當(dāng)代物理學(xué)而言意義重大。”

他告訴記者，近年來，有理論預(yù)言，凝聚態(tài)物質(zhì)中可能存在一種“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子”，由于它的行為規(guī)律與引力子類似，被形象地稱作引力子的“投影”。

5年前，杜靈杰團(tuán)隊在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)一種新的集體激發(fā)現(xiàn)象。理論物理學(xué)界認(rèn)為，這可能是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子存在的證據(jù)，并提出了實驗方案。

“但當(dāng)時國內(nèi)外沒有符合實驗要求的測量設(shè)備。因為這個實驗對設(shè)備的要求極高，而且看上去自相矛盾。”論文共同第一作者、南京大學(xué)博士生梁杰輝告訴記者，一方面，實驗需要極低溫和強磁場——溫度僅比絕對零度高約0.05攝氏度，磁場強度要達(dá)到地球平均磁場的10萬倍以上，雖然這兩個條件可以通過特殊的制冷機實現(xiàn)，但另一方面，為了開展光學(xué)測量，制冷機上必須安裝透光窗戶，這又很容易導(dǎo)致實驗溫度上升，機器振動也會影響光學(xué)測量的精度。

團(tuán)隊花費3年多的時間，在南京大學(xué)校園內(nèi)自主設(shè)計、集成組裝了一套實驗裝置。“你可以把它理解為一座兩層樓高的‘顯微鏡’。”杜靈杰說，經(jīng)測試，該裝置的多項測量參數(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

依靠這一利器，團(tuán)隊成功在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中觀察到分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子，并分別從自旋、動量、能量三個角度確認(rèn)了相關(guān)實驗證據(jù)。

“這是引力子概念自二十世紀(jì)三十年代被提出以來，首次在實驗中觀察到它的‘投影’。”杜靈杰表示，團(tuán)隊將繼續(xù)深入研究引力子物理世界，“期待這座‘顯微鏡’給我們帶來更多量子前沿領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。”（作者 陳席元）