מתיאוריה למציאות: חלקיקים דמויי גרוויטון שנמצאו בניסויים קוונטיים

התוצאות, המשיכות את מורשתו של פרופסור קולומביה המנוח ארון פינצ'וק, הן צעד לקראת הבנה טובה יותר של כוח המשיכה.

צוות של מדענים מקולומביה, אוניברסיטת נאנג'ינג, פרינסטון ואוניברסיטת מנסטר, כותבים בכתב העת טֶבַעהציגו את העדות הניסויית הראשונה של עירורים קולקטיביים עם ספין הנקראים מצבי גרביטון כיראליים (CGMs) בחומר מוליכים למחצה.

נראה ש-CGM דומה לגרביטון, חלקיק יסודי שטרם התגלה, הידוע יותר בפיזיקה קוונטית עתירת אנרגיה, בכך שהוא הוליד באופן היפותטי את כוח הכבידה, אחד מכוחות היסוד ביקום, שסיבתו הסופית נותרה מסתורית.

גישור פיזיקה תיאורטית ומציאות ניסויית

היכולת לחקור חלקיקים דמויי גרביטון במעבדה יכולה לסייע במילוי פערים קריטיים בין מכניקת הקוונטים לתיאוריות היחסות של איינשטיין, לפתור דילמה גדולה בפיזיקה ולהרחיב את הבנתנו את היקום.

"הניסוי שלנו מסמן את הביסוס הניסיוני הראשון למושג הגרביטונים הזה, שהונח על ידי עבודות חלוציות בתחום הכבידה הקוונטית מאז שנות ה-30, במערכת חומר מעובה", אמר לינג'י דו, פוסט דוקטורט לשעבר בקולומביה ומחבר בכיר בעיתון.

המדד הקוונטי ותחזיותיו

הצוות גילה את החלקיק בסוג של חומר מעובה הנקרא נוזל הול קוונטי (FQHE). נוזלי FQHE הם מערכת של אלקטרונים בעלי אינטראקציה חזקה המתרחשים בשני מימדים בשדות מגנטיים גבוהים ובטמפרטורות נמוכות. ניתן לתאר אותם באופן תיאורטי באמצעות גיאומטריה קוונטית, מושגים מתמטיים צצים החלים על המרחקים הפיזיקליים הדקים שבהם מכניקת הקוונטים משפיעה על תופעות פיזיקליות.

אלקטרונים ב-FQHE כפופים למה שמכונה מדד קוונטי שנחזה להוליד CGMs בתגובה לאור. עם זאת, בעשור שחלפו מאז הוצעה לראשונה תורת המטרית הקוונטית עבור FQHEs, קיימות טכניקות ניסוי מוגבלות לבדיקת תחזיותיה.

מורשתו של ארון פינצ'וק: מחקר קוונטי חלוצי

במשך חלק ניכר מהקריירה שלו, הפיזיקאי מקולומביה ארון פינצ'וק חקר את מסתורין של נוזלי FQHE ופעל לפיתוח כלים ניסויים שיוכלו לחקור מערכות קוונטיות מורכבות כל כך. פינצ'וק, שהצטרף לקולומביה ממעבדות בל ב-1998 והיה פרופסור לפיזיקה ופיזיקה יישומית, נפטר ב-2022, אבל המעבדה שלו ובוגריה ברחבי העולם המשיכו את מורשתו. הבוגרים הללו כוללים את מחברי המאמרים Ziyu Liu, שסיים את לימודי הדוקטורט בפיזיקה מקולומביה בשנה שעברה, ואת הפוסט-דוקטורנטים לשעבר של קולומביה דו, כיום באוניברסיטת נאנג'ינג, ואורסולה וורסטבאואר, כעת ב- אוניברסיטת מינסטר.

"ארון היה חלוץ בגישה של חקר שלבים אקזוטיים של חומר, כולל שלבים קוונטיים מתהווים בננו-מערכות מוצק, על ידי ספקטרום עירור קולקטיבי נמוך שהם טביעות האצבעות הייחודיות שלהם", הגיב וורסטבאואר, מחבר שותף על העבודה הנוכחית. "אני באמת שמח שההצעה הגאונית האחרונה שלו ורעיון המחקר היו כל כך מוצלחים ומתפרסמים כעת ב טֶבַע. עם זאת, עצוב שהוא לא יכול לחגוג את זה איתנו. הוא תמיד שם דגש חזק על האנשים שמאחורי התוצאות".

טכניקות חדשניות בפיזיקה קוונטית

אחת הטכניקות שהקים פינצ'וק נקראה פיזור תהודה לא אלסטי בטמפרטורה נמוכה, המודד כיצד חלקיקי אור, או פוטונים, מתפזרים כשהם פוגעים בחומר, ובכך חושף את התכונות הבסיסיות של החומר.

ליו ושותפיו למחברים על טֶבַע נייר התאים את הטכניקה לשימוש במה שמכונה אור מקוטב מעגלי, שבו לפוטונים יש ספין מסוים. כאשר הפוטונים המקוטבים מקיימים אינטראקציה עם חלקיק כמו CGM שמסתובב אף הוא, סימן הספין של הפוטונים ישתנה בתגובה בצורה מובחנת יותר מאשר אילו היו מקיימים אינטראקציה עם סוגים אחרים של מצבים.

שיתוף פעולה בינלאומי וגיאומטריה קוונטית

העיתון החדש ב טֶבַע היה שיתוף פעולה בינלאומי. באמצעות דגימות שהוכנו על ידי משתפי הפעולה הוותיקים של פינצ'וק בפרינסטון, השלים הפיזיקאי ליו וקולומביה קורי דין סדרת מדידות בקולומביה. לאחר מכן הם שלחו את המדגם לניסויים בציוד אופטי בטמפרטורה נמוכה שדו בילה במשך שלוש שנים בבניית המעבדה החדשה שלו בסין. הם צפו במאפיינים פיזיקליים התואמים את אלו שנחזו על ידי גיאומטריה קוונטית עבור CGMs, כולל אופי הספין-2 שלהם, פערי אנרגיה אופייניים בין מצבי הקרקע והנרגשים שלו, ותלות במה שנקרא גורמי מילוי, המתייחסים למספר האלקטרונים במערכת ל השדה המגנטי שלו.

השלכות תיאורטיות וכיוונים עתידיים

CGMs חולקים את המאפיינים האלה עם גרביטונים, חלקיק שעדיין לא התגלה, שצפוי לשחק תפקיד קריטי בכוח הכבידה. גם CGMs וגם גרביטונים הם תוצאה של תנודות מטריות כמותיות, הסביר ליו, שבה מרקם המרחב-זמן נמשך באקראי ונמתח לכיוונים שונים. התיאוריה שמאחורי תוצאות הצוות יכולה אפוא לחבר בין שני תתי תחומים של הפיזיקה: פיזיקת אנרגיה גבוהה, הפועלת על פני קנה המידה הגדולים ביותר של היקום, ופיזיקה של החומר המעובה, החוקרת חומרים ואת האינטראקציות האטומיות והאלקטרוניות המעניקות להם את התכונות הייחודיות שלהם.

בעבודה עתידית, ליו אומר שטכניקת האור המקוטב צריכה להיות פשוטה ליישום על נוזלי FQHE ברמות אנרגיה גבוהות יותר ממה שחקרו במאמר הנוכחי. זה צריך לחול גם על סוגים נוספים של מערכות קוונטיות שבהן גיאומטריה קוונטית מנבאת תכונות ייחודיות מחלקיקים קולקטיביים, כגון מוליכים.

"במשך זמן רב, הייתה המסתורין הזה לגבי כמה ארוכים ניתן לחקור מצבים קולקטיביים של אורך גל, כמו CGMs, בניסויים. אנו מספקים ראיות ניסיוניות התומכות בחיזוי גיאומטריה קוונטית", אמר ליו. "אני חושב שארון יהיה מאוד גאה לראות את ההרחבה הזו של הטכניקות שלו וההבנה החדשה של מערכת שהוא למד במשך זמן רב."