Une équipe de scientifiques de Columbia, de l'Université de Nanjing, de Princeton et de l'Université de Munster, écrivant dans la revue Nature , ont présenté la première preuve expérimentale d'excitations collectives avec spin appelées modes gravitoniques chiraux (CGM) dans un matériau semi-conducteur.

Un CGM semble être similaire à un graviton, une particule élémentaire encore à découvrir, mieux connue en physique quantique des hautes énergies pour avoir hypothétiquement donné naissance à la gravité, l'une des forces fondamentales de l'univers, dont la cause ultime reste mystérieuse.

La capacité d'étudier des particules de type graviton en laboratoire pourrait aider à combler des lacunes critiques entre la mécanique quantique et les théories de la relativité d'Einstein, résolvant ainsi un dilemme majeur en physique et élargissant notre compréhension de l'univers.

"Notre expérience marque la première justification expérimentale de ce concept de gravitons, postulé par des travaux pionniers en gravité quantique depuis les années 1930, dans un système de matière condensée", a déclaré Lingjie Du, ancien postdoctorant de Columbia et auteur principal de l'article.

L’équipe a découvert la particule dans un type de matière condensée appelée liquide à effet Hall quantique fractionnaire (FQHE). Les liquides FQHE sont un système d'électrons en interaction forte qui se produisent en deux dimensions dans des champs magnétiques élevés et à basse température. Ils peuvent être décrits théoriquement à l'aide de la géométrie quantique, des concepts mathématiques émergents qui s'appliquent aux distances physiques infimes auxquelles la mécanique quantique influence les phénomènes physiques.

Les électrons dans un FQHE sont soumis à ce que l'on appelle une métrique quantique qui devrait donner naissance à des CGM en réponse à la lumière. Cependant, au cours de la décennie qui a suivi la première proposition de la théorie métrique quantique pour les FQHE, il existait peu de techniques expérimentales pour tester ses prédictions.

Pendant une grande partie de sa carrière, le physicien colombien Aron Pinczuk a étudié les mystères des liquides FQHE et a travaillé au développement d'outils expérimentaux capables de sonder des systèmes quantiques aussi complexes. Pinczuk, qui a rejoint Columbia après avoir quitté les Bell Labs en 1998 et était professeur de physique et de physique appliquée, est décédé en 2022, mais son laboratoire et ses anciens élèves du monde entier ont poursuivi son héritage. Ces anciens élèves comprennent les auteurs d'articles Ziyu Liu, qui a obtenu son doctorat. en physique de Columbia l'année dernière, et les anciens postdoctorants de Columbia Du, maintenant à l'Université de Nanjing, et Ursula Wurstbauer, maintenant à l'Université de Münster.

"Aron a été le pionnier de l'étude des phases exotiques de la matière, y compris les phases quantiques émergentes dans les nanosystèmes à l'état solide, par les spectres d'excitation collective de basse altitude qui sont leurs empreintes digitales uniques", a commenté Wurstbauer, co-auteur du travail actuel. P>

"Je suis vraiment heureux que sa dernière proposition géniale et idée de recherche ait connu un tel succès et soit maintenant publiée dans Nature . Cependant, il est triste qu'il ne puisse pas le célébrer avec nous. Il a toujours mis l'accent sur les personnes derrière les résultats."

L'une des techniques mises au point par Pinczuk s'appelle la diffusion inélastique résonante à basse température, qui mesure la façon dont les particules de lumière, ou photons, se dispersent lorsqu'elles heurtent un matériau, révélant ainsi les propriétés sous-jacentes du matériau.

Liu et ses co-auteurs ont adapté la technique pour utiliser ce que l'on appelle la lumière polarisée circulairement, dans laquelle les photons ont un spin particulier. Lorsque les photons polarisés interagissent avec une particule comme un CGM qui tourne également, le signe de la rotation des photons changera en réponse d'une manière plus distinctive que s'ils interagissaient avec d'autres types de modes.

Le nouveau document était le fruit d’une collaboration internationale. À l'aide d'échantillons préparés par les collaborateurs de longue date de Pinczuk à Princeton, le physicien Liu et Columbia, Cory Dean, a effectué une série de mesures à Columbia. Ils ont ensuite envoyé l'échantillon pour des expériences sur un équipement optique à basse température que Du a passé plus de trois ans à construire dans son nouveau laboratoire en Chine.

Ils ont observé des propriétés physiques cohérentes avec celles prédites par la géométrie quantique pour les CGM, notamment leur nature de spin 2, les écarts d'énergie caractéristiques entre leurs états fondamental et excité, et leur dépendance à l'égard de facteurs dits de remplissage, qui relient le nombre d'électrons dans le système à son champ magnétique.

Les CGM partagent ces caractéristiques avec les gravitons, une particule encore inconnue qui devrait jouer un rôle essentiel dans la gravité. Les CGM et les gravitons sont le résultat de fluctuations métriques quantifiées, a expliqué Liu, dans lesquelles le tissu de l'espace-temps est tiré et étiré de manière aléatoire dans différentes directions.

La théorie derrière les résultats de l'équipe peut donc potentiellement relier deux sous-domaines de la physique :la physique des hautes énergies, qui opère aux plus grandes échelles de l'univers, et la physique de la matière condensée, qui étudie les matériaux et les interactions atomiques et électroniques qui leur confèrent leurs propriétés uniques.

Dans les travaux futurs, Liu affirme que la technique de la lumière polarisée devrait être simple à appliquer aux liquides FQHE à des niveaux d’énergie plus élevés que ceux explorés dans l’article actuel. Cela devrait également s'appliquer à d'autres types de systèmes quantiques dans lesquels la géométrie quantique prédit les propriétés uniques des particules collectives, telles que les supraconducteurs.

"Pendant longtemps, il y avait ce mystère quant à la façon dont les modes collectifs à grande longueur d'onde, comme les CGM, pouvaient être sondés dans le cadre d'expériences. Nous fournissons des preuves expérimentales qui soutiennent les prédictions de la géométrie quantique", a déclaré Liu. "Je pense qu'Aron serait très fier de voir cette extension de ses techniques et cette nouvelle compréhension d'un système qu'il étudie depuis longtemps."

Plus d'informations : Jiehui Liang et al, Preuve des modes gravitons chiraux dans les liquides Hall quantiques fractionnaires, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07201-w

Informations sur le journal : Nature

Fourni par la Columbia University Quantum Initiative