掌握引力研究生的理论预测了突破性的物理学发现

世界各地的科学家仍在努力理解“引力子”，这是一种难以捉摸的理论粒子，被认为是地球引力的来源。佛罗里达州立大学物理系的研究人员已经提出了一种类似引力子的理论，这可能有助于解决这个宇宙之谜。

这一理论现已得到中国南京大学研究小组的新研究的证实。

南京研究人员在《自然》杂志上发表新论文今年春天，这一发现证实了佛罗里达州立大学物理学系校友Shiuan-Fan“Sonya”Liou五年前做出的突破性科学预测。

当时，刘是杨坤教授团队的研究生，她在2019年的论文《分数量子霍尔液体中的手性引力子》中发表了关于引力子的研究成果”，提出了关于这些粒子特定量子自旋的理论。理论物理学家通常会假设一种新现象，然后由实验物理学家证实。

Liou和Yang与普林斯顿大学教授、2016年诺贝尔奖得主DuncanHaldane以及加州州立大学洛杉矶分校教授EdwardRezayi合作。这项研究建立在被称为“分数量子霍尔液体”的典型物质拓扑状态的基础上，Haldane、Rezayi和Yang此前曾就该主题展开多年合作。

分数量子霍尔液体中的电子整体表现得就像是由带分数电荷的粒子组成的。这些量子液体被称为物质的拓扑状态，因为即使你改变它们的形状或移动它们内部的东西，它们的行为仍然保持不变。

在之前的研究中，哈尔丹认为仅仅使用纯拓扑描述的形状和结构不足以理解这些流体的行为。

这些描述忽略了一个重要现象：当向流体中添加能量时，研究人员注意到流体内部有规律的振荡。这种振荡具有正或负的角动量，这意味着一些粒子顺时针旋转，另一些则逆时针旋转。这种特性被称为手性，即粒子具有右手性或左手性，它很像科学家广泛假设的量子引力理论中对引力子的描述。

Liou的研究首次对此类类似引力子的激发进行了详细的数值研究，并证明这些引力子携带确定的手性或角动量，其值为负2或正2，具体取决于分数量子霍尔液体的不同性质。

“我是这个项目的新手，一开始并不了解背后的物理原理，”Liou说道。“我很快就得到了结果，大约两周时间。尽管我最初对结果表示怀疑，峰值吸收表明存在手性引力子，但我还是把它发给了杨教授。他对结果感到非常兴奋，并在看到结果后立即要求与我讨论。我从未见过他如此兴奋。”

“这篇论文很重要，因为它指出了这些引力子的一个非常特殊的属性——手性，并且我们确定了不同液体的手性以及如何测量它，”杨说。

在2019年的一次合作会议上，佛罗里达州立大学领导的研究团队邀请了阿隆·平丘克(AronPinczuk)参与，他是1990年代拉曼散射技术的先驱，该技术用于研究分数量子霍尔液体的集体激发。平丘克原计划利用偏振光进行拉曼实验，以揭示引力子手性，但他于2022年意外去世。

因此，来自南京大学、哥伦比亚大学、普林斯顿大学和德国明斯特大学的一组Pinczuk以前的学生、博士后和合作者接手并完成了该项目。南京大学领导的团队成功地在几种著名的分数量子霍尔液体中进行了偏振拉曼散射，使用半导体、强磁场和激光研究了量子效应。通过散射光观察到的激发具有与预期的引力子手性相匹配的量子自旋，证实了Liou的理论预测。

“这可能是首次在自然界中观察到自旋2(类似引力子)激发。这些实验为研究分数量子霍尔液体的拓扑性质开辟了一条全新的道路，”杨说。

《自然》杂志发表的这篇论文引起了几家主要新闻媒体的关注，它有可能解开有关量子引力理论的更多谜团。

“在物理学领域，由于技术限制，很少有理论预测能够在实验中得到证实，”Liou说道。“我相信我们的预测，即手性引力子，终有一天会被发现，但没想到结果来得这么快。我很高兴也很幸运看到我们的工作在现实世界中得以实现。”

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