在南京大学的低温实验室里，一束偏振光正穿透砷化镓量子阱，捕捉到了一种前所未有的集体激发。2024年3月，杜灵杰教授团队宣布首次在分数量子霍尔液体中观测到自旋2的类引力子激发，这一发现不仅填补了量子引力实验研究的空白，更在凝聚态物质中开辟了探索时空本质的新路径。

分数量子霍尔效应自1982年被发现以来，始终是凝聚态物理的圣杯级研究领域。当二维电子气在极低温强磁场下运动时，电子间的强关联作用会催生一种奇特的量子流体。这种流体不仅具有分数电荷的准粒子激发，更蕴含着超越传统费米统计的任意子行为。劳夫林波函数的提出，首次揭示了这种量子流体的不可压缩性与长程量子纠缠，为理解分数量子霍尔态的拓扑序奠定了基础。南京大学团队此次聚焦的分数量子霍尔液体，其填充因子ν=1/3的特殊状态下，电子的排列方式如同精密的量子编织，形成了一种具有分数统计的任意子气体。这种状态下的集体激发模式，成为探测量子引力现象的理想媒介。

引力子作为传递引力的量子，其自旋为2的特性早已被理论预言。然而，在微观尺度下直接观测引力子面临着无法克服的技术难题。杜灵杰团队创造性地将目光投向凝聚态系统，通过模拟时空度规的涨落，在分数量子霍尔液体中找到了引力子模的等效物。实验中，研究人员利用自主研发的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统，在零下273.1度的极端环境下，精确测量了电子集体激发的自旋、能量与动量特征。通过巧妙设计圆偏振光的入射与散射方式，他们成功捕捉到自旋2的低能激发模式，这正是引力子模的标志性特征。这种集体激发不仅验证了Haldane关于分数量子霍尔效应中存在引力子激发的猜想，更首次在真实系统中实现了量子引力现象的实验模拟。

这项成果的取得离不开实验技术的重大突破。团队自主设计的散射系统集成了He3-He4稀释制冷技术，能够在接近绝对零度的环境中稳定运行，捕捉到最低达10GHz的微弱激发信号。同时，通过精确控制入射光的自旋态，研究人员成功区分了不同激发模式的自旋属性，为确认引力子模的存在提供了关键证据。在砷化镓量子阱的制备过程中，团队通过精确调控电子浓度与磁场强度，成功营造出分数量子霍尔液体所需的极端条件。这种人工微结构的设计，如同在微观世界搭建了一个可控的"量子引力实验室"，使复杂的理论预言得以在实验室中验证。

这一发现的科学价值远超凝聚态物理范畴。它首次在真实物质系统中展示了引力子模的量子行为，为量子引力理论提供了全新的实验验证平台。通过研究分数量子霍尔液体中的集体激发，科学家有望深入理解时空曲率的量子涨落、引力场的量子化机制等核心问题。对凝聚态物理而言，引力子模的发现开辟了几何视角研究强关联系统的新方向。研究表明，这种激发模式与分数量子霍尔态的非阿贝尔统计密切相关，为实现基于拓扑序的量子计算提供了新的可能性。此外，实验中观测到的量子度规涨落现象，为理解高温超导、量子自旋液体等复杂现象提供了重要线索。

尽管取得了突破性进展，科学家仍面临诸多挑战。如何将分数量子霍尔系统中的引力子模与真实时空的引力现象建立更直接的联系，是理论物理学家亟待解决的问题。同时，实验技术的进一步优化将推动对更高自旋模式、更复杂量子态的探索。这项研究的影响正在向多个领域扩散。在天体物理领域，分数量子霍尔系统中的集体激发可能为理解早期宇宙的量子涨落提供微观模型；在量子信息领域，引力子模的独特性质或可用于构建新型量子比特。正如杜灵杰教授所言："我们在实验室中创造的量子流体，或许正是宇宙早期量子时空的一个缩影。"

当人类首次在凝聚态物质中捕捉到类引力子的涟漪时，我们不仅看到了量子世界的奇妙景象，更触摸到了连接微观与宏观、量子与引力的神秘纽带。这项发现不仅是中国科学家在量子科技领域的里程碑，更是人类探索宇宙终极奥秘的重要一步。未来，随着实验技术的进步与理论研究的深入，这些微观世界的"引力子模"或将揭开时空量子化的神秘面纱，为物理学的大一统理论奠定基石。

来源: 桂粤科普