Переворот в физике: найдены доказательства существования гравитона

Группа ученых представила в журнале Nature первые экспериментальные доказательства существования коллективных спиновых возбуждений — хиральных гравитонных модов (ХГМ) — в полупроводниковом материале. ХГМ очень похожа на гравитон — еще не открытую элементарную частицу, более известную в квантовой физике высоких энергий. Она известна тем, что гипотетически порождает гравитацию, одну из фундаментальных сил во Вселенной, конечная причина возникновения которой остается неразгаданной.

Возможность изучать гравитоноподобные частицы в лаборатории поможет ученым заполнить критические пробелы между квантовой механикой и теориями относительности Эйнштейна, решить главную дилемму в физике и расширить понимание Вселенной.

В статье описывается первое экспериментальное обоснование концепции гравитонов, которая существует в сфере квантовой гравитации еще с 1930-х годов.

Команда обнаружила частицу в типе конденсированного вещества, которое называют жидкостью с дробным квантовым эффектом Холла (ДКЭХ). Жидкости с ДКЭХ представляют собой систему сильно взаимодействующих электронов в двух измерениях в сильных магнитных полях и при низких температурах. Их можно теоретически описать с помощью квантовой геометрии — новых математических концепций, применимых к мельчайшим физическим расстояниям, на которых квантовая механика влияет на физические явления.

Электроны в ДКЭХ подчиняются так называемой квантовой метрике — она, как предполагается, приводит к образованию ХГМ в ответ на свет. Однако за десять лет, прошедших с тех пор, как квантово-метрическая теория была впервые предложена для ДКЭХ, экспериментальные методы для проверки ее предположений были весьма ограничены. Одним из немногих экспериментальных инструментов, которые помогали исследовать сложные квантовые системы, было низкотемпературное резонансное неупругое рассеяние. В рамках этого метода измеряется, как частицы света (фотоны) рассеиваются при попадании на материал, тем самым раскрывая основные свойства этого материала. Авторы нового исследования адаптировали эту технику для использования так называемого циркулярно поляризованного света, в котором фотоны имеют определенный спин. Когда поляризованные фотоны взаимодействуют с частицей, такой как ХГМ, которая также вращается, знак спина фотонов будет меняться в ответ более отчетливо, чем если бы они взаимодействовали с другими типами мод. 

После того, как физики завершили серию измерений, они проверили экспериментальный образец при помощи созданного самостоятельно низкотемпературного оптического оборудования. Так они выявили физические свойства, соответствующие предположениям квантовой геометрии для ХГМ, включая характерные энергетические зазоры между основным и возбужденным состояниями, а также зависимость от так называемых факторов заполнения, которые связывают количество электронов в системе с его магнитным полем. 

Эти характеристики ХГМ схожи со свойствами гравитона — еще не открытой частицы, которая, по прогнозам, будет играть решающую роль в изучении гравитации. И ХГМ, и гравитоны являются результатом квантованных метрических флуктуаций, при которых ткань пространства-времени беспорядочно растягивается в разных направлениях. Таким образом, теория, лежащая в основе результатов исследования, потенциально может объединить две области физики: физику высоких энергий, которая работает в самых больших масштабах Вселенной, и физику конденсированного состояния, изучающую материалы, а также атомные и электронные взаимодействия, которые придают им уникальные свойства. 

В будущем метод поляризованного света будет легко применить к жидкостям ДКЭХ на более высоких энергетических уровнях, чем сейчас. Также он должен работать для дополнительных типов квантовых систем, где квантовая геометрия предсказывает уникальные свойства коллективных частиц, таких как сверхпроводники.