凝聚态物理是研究凝聚态物质的微观结构、微观运动、物理性质及其相互关系的物理学分支学科，是固体物理学的向外延拓。其研究对象极为广泛，不仅涵盖常见的固体物质，还包括液态金属、液晶等液态物质，以及玻色--爱因斯坦凝聚的玻色气体和量子简并的费米气体等特殊气体物质，全面涵盖了行空间和动量空间两个子空间的凝聚态。20世纪40年代物理学家将晶体学、冶金学、弹性力学和磁学等学科统合为固体物理学。此后，随着研究对象不断拓展，固体物理学逐渐扩展成为“凝聚态物理学”，80--90年代其逐渐取代固体物理学作为学科名称。

▏我国在凝聚态物质中发现引力子模的实验研究

一、实验团队与背景

此次在凝聚态物质中发现引力子模的实验由南京大学物理学院教授团队于2024年主导完成。南京大学物理学科历史悠久，创立于1915年的南京高等师范学校，是我国高等院校中创立最早和最有影响的物理学科之一，为该实验研究提供了深厚的学术底蕴和良好的科研氛围。

该团队长期致力于量子物理相关领域的研究，在凝聚态物理实验研究方面有着丰富的经验和深厚的积累。早在2019年，研究团队在分数量子霍尔效应中就发现了一种新的集体激发，这一结果随即被理论物理学家们认为可能是分数量子霍尔效应引力子并提出了检测该引力子的关键自旋测量方案，这也触发了团队后续在分数量子霍尔效应中探寻引力子模的实验工作。

二、实验原理与方法

该实验基于将广义相对论几何描述引入凝聚态物理的理论基础。近年来，物理学家将广义相对论中的几何描述方法引入到凝聚态物理的某些体系中，特别是在分数量子霍尔系统中。在分数量子霍尔液体中，量子空间测度的扰动可能会涌现出类似“引力波”的现象，其量子特征与引力子相似，这些现象对应的低能集体激发模式就是引力子模。具体来说，对于主要的分数量子霍尔态，例如1/3态，诺贝尔物理学奖得主哈达尼（Haldane）提出其存在着一种长期被忽视的量子度规，该度规可描述复合玻色子（一个电子绑上三个磁通量子）的形状，或者近似地，复合费米子（一个电子绑上两个磁通量子）回旋运动轨道的形状。在这种几何理论中，度规扰动的量子化表现为磁旋子集体激发的长波极限，而长波极限下的磁旋子被预测是自旋2的手性激发，即引力子模。

实验测量采用双光子拉曼散射过程。实验使用的样品是砷化镓半导体量子阱，其中的两维电子气在强磁场下形成分数量子霍尔液体。在双光子拉曼散射过程中，入射光子被量子液体吸收，然后量子液体再发射出一个光子。由于光子自旋为1，不同自旋的入射及出射光子可以产生自旋为0及+2和-2的元激发，而自旋只为+2或-2的激发就是引力子模。通过这种方式，利用光与量子液体的相互作用，来探测引力子模的存在。

三、实验过程与关键技术

为了实现对引力子模的探测，研究团队自主设计、集成组装了一台根植于干式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。引力子模的测量要求极低的温度（约50mK）和强磁场（约10T），团队利用稀释制冷机来实现这样的极端低温条件。然而，实验过程中面临诸多挑战。砷化镓的能隙要求入射光为可见光，可见光通过制冷机外壳上的透明窗口照射到样品，但可见光以及透明窗口本身的辐射却容易将极低温下的样品温度升至100mK以上。为解决这一问题，团队通过精巧的设计，对制冷机的光学窗口进行特殊处理，减少可见光及窗口辐射对样品温度的影响。

此外，因为引力子模的能量极低（在该工作中最低只有约为70GHz），所以需要实现入射光频率连续可调的微波波段的非弹性光散射测量，而这种极低波数的测量即使在室温也是很困难的。团队采用了先进的光学技术和仪器，对光散射测量系统进行优化和改进，实现了对极低能量激发的探测。整个极低温的光散射测量对振动环境也极为敏感，而稀释制冷机却有着脉冲管等一系列振动源。团队通过采用特殊的隔振措施，减少振动对实验的干扰，确保实验的稳定性和准确性。

在样品制备方面，团队对砷化镓半导体量子阱进行精细处理，以获得高质量的两维电子气样品，保证分数量子霍尔液体的良好形成。在测量过程中，精确控制强磁场的强度和方向，以及极低温的稳定性，确保实验条件的精准性。

四、实验结果与数据分析

通过上述实验过程，团队最终在分数量子霍尔液体中首次成功观察到引力子模，并发现其具有手性。从实验数据来看，在特定的温度和磁场条件下，双光子拉曼散射测量得到的光谱中，清晰地出现了对应自旋为+2或-2激发的特征峰，这与理论预期的引力子模的自旋特征相符。

对不同分数量子霍尔态下的引力子模进行测量和分析，发现其激发能量和强度等性质与分数量子霍尔态的具体参数密切相关。例如，在1/3分数量子霍尔态下，引力子模的激发能量与理论预测的长波磁旋子激发能量一致。通过对大量实验数据的统计分析，进一步验证了引力子模手性的存在，即其自旋方向具有特定的取向，而非随机分布。这些实验结果为理论模型提供了直接的实验证据，证实了在凝聚态物质中确实存在具有引力子特征的准粒子，为后续的研究奠定了坚实的实验基础。

▏引力子模发现的重大意义与科学价值

一、对量子引力理论研究的推动

从二维空间角度证实度规扰动量子特性，为量子引力理论研究提供新思路。量子引力理论致力于将广义相对论和量子力学统一起来，是现代物理学中极具挑战性的难题之一。引力子作为量子引力理论中假设的基本粒子，是实现这一统一的关键要素。在传统的量子场论中，电磁力、强相互作用和弱相互作用都已被纳入其中，分别通过光子、胶子和中间玻色子来传递相互作用，然而引力的量子化一直未能成功实现，引力子也尚未被直接探测到。

此次在凝聚态物质中发现引力子模，从二维空间角度证实了度规扰动的量子是自旋2的低能激发。这一发现为量子引力理论的研究提供了全新的视角和实验依据。在凝聚态系统中，引力子模的出现表明，通过对量子空间测度的扰动，可以涌现出类似引力子的准粒子激发，这意味着在微观的凝聚态体系中，可能存在着与宏观宇宙中引力现象相似的物理机制。这为研究引力的量子特性提供了一个相对可控的实验平台，科学家可以在实验室条件下，通过对凝聚态物质的研究，深入探讨引力子的性质、引力的量子化过程以及量子引力理论中的一些关键问题，如时空的量子涨落等。

它也有助于理解引力子物理的量子规律。以往对引力子的研究大多停留在理论推测阶段，缺乏直接的实验验证。而引力子模的实验发现，使得科学家能够在凝聚态物质中观察到与引力子相关的物理现象，通过对这些现象的研究，可以进一步揭示引力子的量子行为，例如引力子的激发、传播和相互作用等规律。这对于完善量子引力理论，解决广义相对论与量子力学之间的矛盾，具有重要的推动作用。

二、对凝聚态物理领域的拓展

证实分数量子霍尔效应新几何描述，开辟关联物态几何实验研究新方向。分数量子霍尔效应是凝聚态物理中一个重要的研究领域，自1982年被发现以来，一直受到科学家的广泛关注。它揭示了二维电子气在极低温强磁场下，由于电子间的强关联作用，会出现一系列奇特的量子现象，如分数电荷的准粒子激发等。

引力子模的发现开辟了关联物态几何实验研究的新方向。通过探测引力子模等与几何相关的激发模式，可以获取关联物态中量子空间的性质、粒子间相互作用的几何信息等。这将有助于揭示关联物态中一些尚未被理解的物理现象，如高温超导、量子自旋液体等复杂物态中的物理机制，推动凝聚态物理向更深层次发展。

三、在半导体与量子计算领域的潜在应用

对探测半导体电子系统微观结构及实现拓扑量子计算的推动作用。半导体是现代信息技术的基础材料，对半导体电子系统微观结构的深入了解，对于提高半导体器件的性能、开发新型半导体材料具有重要意义。在此次实验中，通过对砷化镓半导体量子阱中引力子模的探测，为研究半导体电子系统的微观结构提供了新的手段。引力子模作为一种低能集体激发模式，其性质与半导体中电子的集体行为密切相关。通过研究引力子模，可以获取半导体中电子的相互作用强度、电子的能态分布等微观信息。这有助于科学家更好地理解半导体电子系统的物理性质，为优化半导体器件的设计、提高其性能提供理论指导。

从拓扑量子计算角度来看，拓扑量子计算因其具有较高的容错性，被认为是实现实用化量子计算的重要途径之一。分数量子霍尔态具有独特的拓扑性质，其中的准粒子激发具有非阿贝尔统计特性，这为实现拓扑量子比特提供了可能。引力子模的发现与分数量子霍尔态密切相关，它进一步揭示了分数量子霍尔态的拓扑性质和几何特性。这为基于分数量子霍尔态的拓扑量子计算研究提供了新的思路和实验基础。通过对引力子模等集体激发模式的研究，可以深入理解分数量子霍尔态中准粒子的行为和相互作用，有助于设计和构建更加稳定、高效的拓扑量子比特。利用引力子模与拓扑量子比特之间的耦合，可能实现对量子比特的精确操控和读取，从而推动拓扑量子计算的发展，加速量子计算技术从理论研究走向实际应用。

▏与国际同类研究的对比与优势分析

一、国际上相关研究进展回顾

国际上在凝聚态物理领域对类似引力现象或准粒子的研究由来已久。多年来，科学家们一直试图在凝聚态系统中寻找与引力相关的物理现象，以探索量子引力理论在微观世界中的表现形式。在早期，一些理论研究提出了在特定的凝聚态体系中可能存在类似于引力子的准粒子激发，但这些理论大多停留在设想阶段，缺乏直接的实验验证。

随着实验技术的不断进步，国际上开始有团队尝试对这些理论进行实验探索。例如，部分研究团队聚焦于拓扑绝缘体和超导体等凝聚态体系，通过输运测量、光谱学等实验手段，试图寻找与引力相关的迹象。然而，由于实验条件的限制和信号的微弱性，一直未能取得实质性的突破。在分数量子霍尔系统的研究方面，国际上也有多个团队开展了相关工作，对分数量子霍尔效应中的各种集体激发模式进行了深入研究，但对于引力子模这一特殊的激发模式，一直未能成功观测到。在实验技术上，国际上虽有一些极低温、强磁场的实验设备，但在实现极低能量测量以及解决实验中的各种干扰问题上，一直面临着挑战。

二、优势体现与国际影响力提升

我国此次研究成果的优势在多个方面得以体现。在技术层面，自主研发的实验系统达到了国际领先水平，实现了多项关键实验条件的精准控制和测量，为后续相关领域的实验研究提供了可借鉴的技术范例。在科学研究层面，首次发现引力子模及其手性特征，为量子引力和凝聚态物理的理论发展提供了关键的实验支撑，使得我国在这两个前沿研究领域占据了重要的一席之地。

该研究成果在国际学术界产生了广泛而深远的影响。相关研究成果于2024年3月28日发表在国际顶级学术期刊《自然》上，受到了国内外物理学界和科技界的广泛关注。国际上众多科研团队和科学家对这一成果给予了高度评价，认为其为探索引力的微观机制提供了新的线索，也为研究新型材料和器件提供了新的思路和方向。这一成果的取得，显著提升了我国在凝聚态物理和量子引力研究领域的国际地位，表明我国在基础科学研究的一些前沿领域已经达到了国际领先水平，吸引了更多国际科研合作与交流的机会，进一步推动了我国科研事业的发展。

▏研究成果的应用前景

一、在基础科学研究中的应用展望

此次在凝聚态物质中发现引力子模，为基础科学研究开辟了新的道路，具有广阔的应用前景。在宇宙尺度物理研究方面，凝聚态材料有望成为探索宇宙尺度物理的“人造”实验室。引力波和引力子是宇宙学和量子引力理论中的重要概念，然而在实际的宇宙环境中，对引力波和引力子的探测面临着诸多困难，如引力波信号极其微弱，引力子难以直接探测等。而在凝聚态物质中发现的引力子模，其具有与引力子相似的量子特征，这使得科学家可以在实验室环境下，通过对凝聚态物质的研究，模拟和研究宇宙尺度下的物理现象。例如，通过研究引力子模在凝聚态系统中的激发、传播和相互作用，可以深入理解引力波在宇宙中的产生和传播机制，为宇宙学研究提供新的实验依据和理论支持。

在探索其他量子态方面，引力子模的发现也具有重要意义。分数量子霍尔液体是一种强关联量子物质形态，其中存在着丰富的量子态和量子现象。引力子模的发现证实了分数量子霍尔效应新的几何描述，这将有助于科学家进一步探索分数量子霍尔液体中其他尚未被发现的量子态。例如，通过研究引力子模与其他量子激发模式之间的相互作用，可以寻找具有特殊拓扑性质的量子态，如量子自旋液体等。这些新型量子态可能具有独特的物理性质和应用潜力，对于推动基础科学的发展具有重要意义。此外，引力子模的研究方法和实验技术也可以拓展到其他凝聚态体系中，用于探索不同材料中的量子态和量子现象，进一步丰富人们对量子世界的认识。

二、在技术领域的潜在应用方向

在半导体器件领域，该研究成果有望推动半导体电子系统微观结构的探测。半导体器件的性能在很大程度上取决于其内部电子的行为和微观结构。引力子模作为一种低能集体激发模式，与半导体中电子的集体行为密切相关。通过研究引力子模，可以获取半导体中电子的相互作用强度、电子的能态分布等微观信息。这些信息对于优化半导体器件的设计、提高其性能具有重要指导意义。例如，在半导体集成电路中，了解电子的微观行为可以帮助减少电子散射，提高电子迁移率，从而提升芯片的运行速度和降低功耗。此外，引力子模的探测技术也可以应用于半导体材料的质量检测和缺陷分析，为半导体产业的发展提供技术支持。

毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

来源: 吉林科普微窗