Encontrando partículas semelhantes a grávitons em experimentos quânticos

A luz testa o modo gráviton quiral em um líquido com o efeito Hall quântico. Fonte: Lingjie Du, Universidade de Nanjing

As descobertas, dando continuidade ao legado do falecido professor Aaron Pinchuk da Universidade de Columbia, são um passo em direção a uma melhor compreensão da gravidade.

Uma equipe de cientistas da Columbia, da Universidade de Nanjing, de Princeton e da Universidade de Münster escreve na revista naturezaEles forneceram a primeira evidência experimental de excitação coletiva com spin chamados modos grávitons quirais (CGMs) em um material semicondutor.

O CGM parece assemelhar-se a um gráviton, uma partícula elementar ainda não descoberta que é mais conhecida na física quântica de alta energia porque, hipoteticamente, dá origem à gravidade, uma das forças fundamentais do universo, cuja causa final continua sendo uma mistério.

Unindo física teórica e realidade experimental

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.

“Nossa experiência representa a primeira prova experimental de conceito para grávitons, postulada por trabalhos pioneiros em gravidade quântica desde a década de 1930, em um sistema de matéria condensada”, disse Lingjie Du, ex-pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia e autor sênior do artigo.

Métrica quântica e suas previsões

A equipe descobriu a partícula em um tipo de matéria condensada chamada fluido de efeito Hall quântico fracionário (FQHE). Os líquidos FQHE são um sistema de elétrons fortemente interagindo que ocorrem em duas dimensões em altos campos magnéticos e baixas temperaturas. Pode ser descrito teoricamente usando a geometria quântica, que está surgindo conceitos matemáticos que se aplicam às distâncias físicas precisas sobre as quais a mecânica quântica afeta os fenômenos físicos.

Os elétrons no FQHE passam pelo que é conhecido como escala quântica que deveria dar origem a CGMs em resposta à luz. No entanto, na década desde que a teoria de medição quântica para FQHEs foi proposta pela primeira vez, houve técnicas experimentais limitadas para testar as suas previsões.

O legado de Aaron Pinchuk: pioneirismo na pesquisa quântica

Durante a maior parte de sua carreira, o físico Aaron Pinchuk da Universidade de Columbia estudou os mistérios dos fluidos FQHE e trabalhou para desenvolver ferramentas experimentais que podem explorar sistemas quânticos tão complexos. Pinchuk, que ingressou na Columbia vindo dos Laboratórios Bell em 1998 e era professor de física e física aplicada, morreu 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 Xiu Liu, que se formou com doutorado em física pela Columbia no ano passado, e Du, ex-pesquisadores de pós-doutorado na Columbia, Du, agora na Universidade de Nanjing, e Ursula Forstbauer, agora na Universidade de Nanjing. Universidade de Munster.

“Aaron foi pioneiro na abordagem de estudo de fases exóticas da matéria, incluindo fases quânticas emergentes em nanossistemas de estado sólido, através de espectros de excitação de baixa massa que representam sua assinatura única”, comentou Forstbauer, coautor do trabalho atual. “Estou muito feliz que sua mais recente sugestão genial e ideia de pesquisa tenha tido tanto sucesso e agora tenha sido publicada em natureza. Mas é triste que ele não possa comemorar conosco. Ele sempre focou fortemente nas pessoas por trás dos resultados.

Técnicas inovadoras em física quântica

Uma técnica criada por Pinchuk foi chamada de espalhamento ressonante inelástico de baixa temperatura, que mede como as partículas de luz, ou fótons, se espalham quando atingem um material, revelando assim as propriedades fundamentais do material.

Liu e seus coautores natureza Um artigo de pesquisa modificou essa técnica para usar o que é conhecido como luz polarizada circularmente, onde os fótons têm um certo spin. Quando os fótons polarizados interagem com uma partícula como um CGM que também está girando, o sinal de spin dos fótons mudará em resposta de uma maneira mais distinta do que se eles estivessem interagindo com outros tipos de modos.

Cooperação internacional e engenharia quântica

O novo jornal em natureza Foi cooperação internacional. Usando amostras preparadas pelos colaboradores de longa data de Pinczuk em Princeton, o físico Corey Dean Liu e a Columbia 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 engenharia quântica para observadores contínuos, incluindo a natureza do spin 2, as distintas lacunas de energia entre seus estados fundamental e excitado, e a dependência dos chamados fatores de preenchimento, que relacionam o número de elétrons em um sistema ao seu campo magnético.

Implicações teóricas e direções futuras

Os CGMs compartilham essas propriedades com os grávitons, uma partícula ainda não descoberta que deverá desempenhar um papel crucial na gravidade. Liu explicou que tanto os CGMs quanto os grávitons são o resultado de flutuações métricas quânticas, onde a estrutura do espaço-tempo é puxada e esticada aleatoriamente em diferentes direções. Assim, a teoria por trás das descobertas da equipe poderia ligar dois subcampos da física: a física de altas energias, que funciona 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 fácil de aplicar a líquidos FQHE em níveis de energia mais elevados do que os explorados no artigo atual. Deverá também aplicar-se a tipos adicionais de sistemas quânticos, onde a engenharia quântica prevê propriedades únicas de partículas colectivas, como os supercondutores.

“Por muito tempo, houve essa ambigüidade sobre quantos modos coletivos de comprimento de onda longo, como CGMs, podem ser testados em experimentos. “Estamos fornecendo evidências experimentais que apoiam as previsões da engenharia quântica”, disse Liu. “Acho que Aaron ficaria muito orgulhoso de ver esta expansão em “Suas técnicas e nova compreensão do sistema que ele estudou por tanto tempo”.

Referência: “Evidência de modos grávitons quirais em fluidos Hall quânticos fracionários” por Jihui Liang, Xiu Liu, Zihao Yang, Yueli Huang, Ursula Forstbauer, Corey R. Dean, Ken W. West, Lauren N. Pfeiffer, Lingjie Du e Aaron Pinczuk , 27 de março de 2024 , natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07201-s