引力子物理探索研究展现科学的魅力（开卷知新）(2)

　　相较于遥远的宇宙，生活中大部分可见物质都是凝聚态，通常包括固态和液态。凝聚态系统中，大量的电子、分子等单体之间相互作用，导致系统呈现出区别于单体的特征。科学家已经发现凝聚态系统存在着和宇宙中的粒子类似的物理性质。凝聚态物理和量子引力这两个领域开始交汇。

　　有理论物理学家提出猜想：在分数量子霍尔态中，可能存在具有引力子特征的准粒子，表现为低能集体激发，即大量电子集体性的能量跃迁——就像平静的湖面上突然激起数不清的、不同形状的涟漪。分数量子霍尔态是一种超越传统固体物理框架的强关联物质形态，代表了当代凝聚态物理学研究的前沿。分数量子霍尔效应只有在极端条件下才会被观测到，它的出现打开了人类认识世界的一扇窗口。分数量子霍尔效应一般可以形象地理解为“特殊电子”（如一个电子与两个磁通量子相结合）在二维平面上沿圆形轨道运动，这些圆形轨道通常被认为是固定不变的。然而，近年来已有物理学家指出：存在一种长期被忽视的量子度规，在这一新框架下，轨道形状是可变的。这种随时间变化的轨道几何形变，能够将“特殊电子”推向同圆心的次近邻轨道，这个效应带来了引力子激发。引力子激发不仅具有和引力子类似的特性，而且还可以通过相应的量子引力方程来描述。

　　但是，寻找引力子激发的道路同样挑战重重。

　　引力子激发的首次实验发现为量子引力物理开辟了新途径

　　引力子激发的探测需要依赖双光子过程的非弹性光散射实验。这种实验对设备的要求极为苛刻且看似矛盾。一方面，实验需要在极低温度下进行（约50毫开尔文，零下273.1摄氏度）并且需要强磁场支持（约10特斯拉），一般通过稀释制冷机来实现；另一方面，实验中使用的可见光及制冷机的透光窗口辐射，容易将温度升至100毫开尔文以上。此外，实验测量也对制冷机脉冲管带来的振动极为敏感。更为复杂的是，由于引力子激发的能量极低（最低可至70吉赫兹），实验需要在微波波段实现共振非弹性光散射测量，即使在室温条件下也极具挑战。因此，这一实验一直被认为是极难完成的任务，无论是从实验技术，还是从基础物理创新角度，都意味着从0到1的突破。

　　经过多年努力，南京大学自主设计并集成组装了一套基于稀释制冷技术的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。这台特殊的设备能够在零下273.1摄氏度的环境中捕捉到最低至10吉赫兹的微弱激发并判断其自旋。利用这一先进设备，实验团队近日在砷化镓半导体量子阱中成功观测到分数量子霍尔效应中的引力子激发。通过共振非弹性光散射，团队从自旋、动量和能量的角度确认了引力子激发的实验证据。

　　这项工作标志着科学界首次在实验中观察到具有引力子特征的准粒子，首次在真实的凝聚态系统中揭示了引力子物理的量子规律，为探索量子引力物理开辟了新的途径。想象一下，原本可能需要建造行星级别的探测器才能研究引力子的奥秘，如今在一个房间大小的实验设备中，就可以一窥其深奥的物理规律。

　　引力子激发的发现，为分数量子霍尔效应的量子几何理论提供了关键实验证据，打开了关联物态的几何效应实验研究的新方向。以往人们在研究分数量子霍尔效应时，主要关心其拓扑性质，而忽视量子几何的重要性，实际上量子几何与拓扑一样，对理解物质的关联性质极为重要。引力子激发的研究，有助于我们更深入地理解物质的微观结构和相互作用机制。未来的新型电子器件和新型材料可能就得益于这种对物质微观结构的更深入理解。此外，引力子激发的研究有助于揭示拓扑量子计算的物理机制，推动相关应用的发展，带来信息处理速度的极大提升，网络通信、大数据、人工智能等领域将迎来新的发展机遇。