Pesquisadores encontram a primeira evidência experimental de uma partícula semelhante ao gráviton em um material quântico

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Luz sondando um modo gráviton quiral em um líquido de efeito Hall quântico fracionário. Crédito:Lingjie Du, Universidade de Nanjing

Uma equipe de cientistas da Columbia, da Universidade de Nanjing, de Princeton e da Universidade de Munster, escreve na revista Nature , apresentaram a primeira evidência experimental de excitações coletivas com spin chamadas modos grávitons quirais (CGMs) em um material semicondutor.

Um CGM parece ser semelhante a um gráviton, uma partícula elementar ainda a ser descoberta, mais conhecida na física quântica de alta energia por, hipoteticamente, dar origem à gravidade, uma das forças fundamentais do universo, cuja causa final permanece misteriosa.

A capacidade de estudar partículas semelhantes ao gráviton em laboratório poderia ajudar a preencher lacunas críticas entre a mecânica quântica e as teorias da relatividade de Einstein, resolvendo um grande dilema na física e expandindo a nossa compreensão do universo.

"A nossa experiência marca a primeira comprovação experimental deste conceito de grávitons, postulado por trabalhos pioneiros em gravidade quântica desde a década de 1930, num sistema de matéria condensada," disse Lingjie Du, antigo pós-doutorando da Columbia e autor sénior do artigo.

A equipe descobriu a partícula em um tipo de matéria condensada chamada líquido de efeito Hall quântico fracionário (FQHE). Os líquidos FQHE são um sistema de elétrons fortemente interagentes que ocorrem em duas dimensões em altos campos magnéticos e baixas temperaturas. Eles podem ser descritos teoricamente usando a geometria quântica, surgindo conceitos matemáticos que se aplicam às minúsculas distâncias físicas nas quais a mecânica quântica influencia os fenômenos físicos.

Os elétrons em um FQHE estão sujeitos ao que é conhecido como métrica quântica, que foi previsto que daria origem a CGMs em resposta à luz. No entanto, na década desde que a teoria da métrica quântica foi proposta pela primeira vez para FQHEs, existiam técnicas experimentais limitadas para testar as suas previsões.

Durante grande parte de sua carreira, o físico de Columbia, Aron Pinczuk, estudou os mistérios dos líquidos FQHE e trabalhou para desenvolver ferramentas experimentais que pudessem sondar sistemas quânticos tão complexos. Pinczuk, que ingressou na Columbia vindo do Bell Labs em 1998 e era professor de física e física aplicada, faleceu em 2022, mas seu laboratório e ex-alunos em todo o mundo deram continuidade ao seu legado. Esses ex-alunos incluem os autores do artigo Ziyu Liu, que se formou com seu Ph.D. em física pela Columbia no ano passado, e os ex-pós-doutorados da Columbia Du, agora na Universidade de Nanjing, e Ursula Wurstbauer, agora na Universidade de Münster.

"Aron foi pioneiro na abordagem de estudo de fases exóticas da matéria, incluindo fases quânticas emergentes em nanossistemas de estado sólido, pelos espectros de excitação coletiva de baixa altitude que são suas impressões digitais únicas", comentou Wurstbauer, coautor do trabalho atual.

"Estou realmente feliz que sua última proposta genial e ideia de pesquisa tenha tido tanto sucesso e agora esteja publicada na Nature . No entanto, é triste que ele não possa comemorar conosco. Ele sempre colocou um forte foco nas pessoas por trás dos resultados."

Modos Graviton e dispersão de luz inelástica. Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07201-w

Uma das técnicas estabelecidas por Pinczuk foi chamada de espalhamento inelástico ressonante de baixa temperatura, que mede como as partículas de luz, ou fótons, se espalham quando atingem um material, revelando assim as propriedades subjacentes do material.

Liu e seus co-autores do artigo adaptaram a técnica para usar o que é conhecido como luz circularmente polarizada, na qual os fótons têm um spin específico. Quando os fótons polarizados interagem com uma partícula como um CGM que também gira, o sinal do spin dos fótons mudará em resposta de uma forma mais distinta do que se eles estivessem interagindo com outros tipos de modos.

O novo artigo foi uma colaboração internacional. Usando amostras preparadas pelos colaboradores de longa data de Pinczuk em Princeton, Liu e o físico da Columbia, Cory Dean, completaram uma série de medições na Columbia. Eles então enviaram a amostra para experimentos em equipamentos ópticos de baixa temperatura que Du passou mais de três anos construindo em seu novo laboratório na China.

Eles observaram propriedades físicas consistentes com aquelas previstas pela geometria quântica para CGMs, incluindo sua natureza de spin-2, lacunas de energia características entre seus estados fundamental e excitado e dependência dos chamados fatores de preenchimento, que relacionam o número de elétrons no sistema a seu campo magnético.

Os CGMs compartilham essas características com os grávitons, uma partícula ainda não descoberta que se prevê desempenhar um papel crítico na gravidade. Tanto os CGMs quanto os grávitons são o resultado de flutuações métricas quantizadas, explicou Liu, nas quais a estrutura do espaço-tempo é puxada e esticada aleatoriamente em diferentes direções.

A teoria por trás dos resultados da equipe pode, portanto, conectar potencialmente dois subcampos da física:a física de altas energias, que opera nas maiores escalas do universo, e a física da matéria condensada, que estuda os materiais e as interações atômicas e eletrônicas que lhes conferem propriedades únicas.

Em trabalhos futuros, Liu diz que a técnica de luz polarizada deve ser simples de aplicar a líquidos FQHE em níveis de energia mais elevados do que os explorados no artigo atual. Deve também aplicar-se a tipos adicionais de sistemas quânticos onde a geometria quântica prevê propriedades únicas de partículas coletivas, como os supercondutores.

"Por muito tempo, houve esse mistério sobre como os modos coletivos de comprimento de onda longo, como os CGMs, poderiam ser investigados em experimentos. Fornecemos evidências experimentais que apoiam as previsões da geometria quântica", disse Liu. “Acho que Aron ficaria muito orgulhoso de ver esta extensão de suas técnicas e uma nova compreensão de um sistema que ele estudou por muito tempo.”

Mais informações: Jiehui Liang et al, Evidência de modos grávitons quirais em líquidos Hall quânticos fracionários, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07201-w
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Iniciativa Quantum da Universidade de Columbia

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