作者：潘長宏（文學之都居士）

2024年4月4日

       2024年3月31日我從《揚子晚報》上看到，2024年3月28日南京大學物理學院杜靈杰教授領(lǐng)銜的國際團隊利用極端條件下的偏振光散射技術(shù)，在砷化鎵量子阱中對分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的集體激發(fā)進行了測量，在世界上首次觀察到引力子激發(fā)，即引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的新奇準粒子。

（分數(shù)量子霍爾效應(yīng)：圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

       對于宇宙中的基本粒子，凝聚態(tài)系統(tǒng)中那些滿足其類似行為規(guī)律的集體激發(fā)可被視作基本粒子投射在這些系統(tǒng)上的影子，是準粒子。近年來，理論物理學家Haldane（2016年諾貝爾物理學獎得主）提出分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中可能存在著引力子激發(fā)，也被稱為分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子。分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，作為一種強關(guān)聯(lián)拓撲效應(yīng)，是當代凝聚態(tài)物理的最重要研究前沿之一，其發(fā)現(xiàn)獲得了1998年諾貝爾物理學獎。其中主要的分數(shù)量子霍爾態(tài)在圖像上可被理解為復(fù)合粒子（一個電子綁上兩個磁通量子）在執(zhí)行回旋軌道運動。而Haldane對分數(shù)量子霍爾效應(yīng)給出了新的量子幾何解釋，認為存在著一種長期被忽視的量子度規(guī)，這一度規(guī)可描述運動軌道的形狀。該度規(guī)擾動的量子化即引力子激發(fā)，表現(xiàn)為軌道形變產(chǎn)生的最低能量長波集體激發(fā)，理論預(yù)測該集體激發(fā)是自旋2的手性激發(fā)，其自旋只能為+2或-2。Bergshoeff和Townsend等人（這兩位是M理論的主要提出者之一）進一步指出，引力子激發(fā)可以被非相對論極限下的2+1維、有質(zhì)量的Fierz-Pauli場方程所描述，同時也可被零簡化的3+1維線性愛因斯坦場方程所描述，揭示了這類神秘粒子的引力子特征。作為分數(shù)量子霍爾效應(yīng)新幾何理論的關(guān)鍵結(jié)論，引力子激發(fā)對凝聚態(tài)物理本身也具有極其重要的意義。此前，分數(shù)量子霍爾效應(yīng)被認為可以通過陳-西蒙斯拓撲量子場論來描述。然而，Haldane提出的這一幾何理論超越了該領(lǐng)域傳統(tǒng)拓撲量子場論的框架，帶來了一種新的“陳-西蒙斯+量子幾何”理論，從而可以為關(guān)聯(lián)物態(tài)的研究打開新的方向。而引力子激發(fā)的存在，如果證實，將為這一新的關(guān)聯(lián)物理提供重要的實驗支持。此外，引力子激發(fā)可以用來分辨一些分數(shù)量子霍爾態(tài)所具有的非阿貝爾基態(tài)波函數(shù)，對于實現(xiàn)拓撲量子計算有著關(guān)鍵的意義。遺憾的是，尋找分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子，一直是懸而未決的問題，至今未能突破。

       2019年，杜靈杰團隊在分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了一種新的集體激發(fā)，這一結(jié)果隨即被理論物理學家們認為可能是分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子并提出了檢測該引力子的關(guān)鍵自旋測量方案。這觸發(fā)了杜靈杰率領(lǐng)實驗團隊在分數(shù)量子霍爾效應(yīng)中去探尋并最終發(fā)現(xiàn)這類神秘粒子的存在。分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子是四極激發(fā)，需要雙光子過程的非彈性光散射。至關(guān)重要的是，需要通過入射和散射圓偏振光的光子自旋，來確定該引力子激發(fā)的標志性特征：自旋2。而在當時，國內(nèi)外尚無滿足要求的測量設(shè)備可以進行這一實驗。不同于普通的非彈性（拉曼）光散射，該實驗對設(shè)備要求極高而且看似矛盾，一直極富挑戰(zhàn)性。一方面，實驗測量要求極低的溫度（約50mK，零下273.1度）和強磁場（約10特斯拉，地球平均磁場的10萬倍以上），需要通過稀釋制冷機實現(xiàn)；另一方面，實驗中的可見光以及制冷機透光窗戶的輻射卻容易將溫度升至100mK以上，且實驗測量對制冷機脈沖管等帶來的振動也極為敏感；難上加難的是，因為引力子激發(fā)能量極低（在該工作中最低約為70GHz），所以需要實現(xiàn)微波波段的共振非彈性光散射測量，而這種測量即使在室溫都很困難。不僅如此，實驗還需要利用光的圓偏振性進行自旋測量。因此這一實驗一度被人認為是不可能完成的。

       對于該實驗測量，無論是從實驗技術(shù)，還是從基礎(chǔ)物理創(chuàng)新角度，都意味著是0到1的突破。杜靈杰帶領(lǐng)團隊，花費數(shù)年時間，通過精妙的設(shè)計將看似矛盾的測量要求一一實現(xiàn)，在南京大學自主設(shè)計、集成組裝了一臺根植于He3-He4稀釋制冷技術(shù)的極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。這一特殊的“望遠鏡”有兩層樓高，可以在零下273.1度下捕捉到最低達10GHz的微弱激發(fā)并判斷其自旋。測試表明，這一技術(shù)的相關(guān)測量參數(shù)達到國際領(lǐng)先水平，為引力子激發(fā)的測量奠定了實驗基礎(chǔ)。依靠這一利器，實驗團隊在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中成功觀測到分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子，取得重要突破。團隊通過共振非彈性光散射測量到了最低能量長波集體激發(fā)，并通過改變?nèi)肷浜蜕⑸涔獾淖孕?，觀察到該激發(fā)具有自旋2的特性且是手性的。并且測量到的極小激發(fā)峰寬符合動量守恒下引力子激發(fā)的長波特性，而測到的能量在m/n分數(shù)態(tài)正比于Ec/n（Ec為庫倫能），符合其能量特性。這些結(jié)果從自旋，動量和能量角度充分提供了引力子激發(fā)的實驗證據(jù)。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

尋找分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子，成為杜靈杰團隊新的目標。他們花費3年多時間，在南京大學自主設(shè)計、組裝了一臺極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。該系統(tǒng)像一個特殊的“望遠鏡”，有兩層樓高，可以在零下273.1攝氏度下，捕捉到最低達10G赫茲的微弱激發(fā)現(xiàn)象，并判斷其自旋。

“依靠這一利器，我們在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中成功觀測到分數(shù)量子霍爾效應(yīng)引力子。團隊通過共振非彈性光散射，測量到了最低能量長波集體激發(fā)，并通過改變?nèi)肷浜蜕⑸涔獾淖孕^察到該激發(fā)具有自旋2的特性?！边@些結(jié)果從自旋、動量和能量角度充分提供了引力子激發(fā)的實驗證據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)，是引力子這一概念被提出以來，首次在實驗上發(fā)現(xiàn)具有引力子特征的準粒子。實驗結(jié)果為在凝聚態(tài)系統(tǒng)中研究量子引力相關(guān)物理開辟了新的視野，為拓撲量子計算的分數(shù)態(tài)波函數(shù)驗證奠定了實驗基礎(chǔ)，開辟了拓撲關(guān)聯(lián)物態(tài)幾何效應(yīng)實驗研究的新方向。

杜靈杰，1986年出生于鎮(zhèn)江，2001年至2004年在江蘇省鎮(zhèn)江第一中學就讀，2004年通過保送進入南京大學理科強化班學習。2011年獲碩士學位，2016年在美國萊斯大學獲博士學位。2016——2019年在美國哥倫比亞大學從事博士后研究工作。2019年回國，在南京大學物理學院和固體微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室擔任教授和項目負責人，入選海外高層次人才青年項目，南京大學紫金學者和江蘇省雙創(chuàng)人才。