Un CGM parece ser similar a un gravitón, una partícula elemental aún por descubrir, más conocida en la física cuántica de alta energía por haber dado lugar hipotéticamente a la gravedad, una de las fuerzas fundamentales del universo, cuya causa última sigue siendo un misterio.

La capacidad de estudiar partículas similares a gravitones en el laboratorio podría ayudar a llenar vacíos críticos entre la mecánica cuántica y las teorías de la relatividad de Einstein, resolviendo un importante dilema en física y ampliando nuestra comprensión del universo.

"Nuestro experimento marca la primera justificación experimental de este concepto de gravitones, planteado por trabajos pioneros en gravedad cuántica desde la década de 1930, en un sistema de materia condensada", dijo Lingjie Du, ex postdoctorado de Columbia y autor principal del artículo.

El equipo descubrió la partícula en un tipo de materia condensada llamada líquido de efecto Hall cuántico fraccional (FQHE). Los líquidos FQHE son un sistema de electrones que interactúan fuertemente y que se producen en dos dimensiones en campos magnéticos elevados y bajas temperaturas. Se pueden describir teóricamente utilizando la geometría cuántica, conceptos matemáticos emergentes que se aplican a las diminutas distancias físicas en las que la mecánica cuántica influye en los fenómenos físicos.

Los electrones en un FQHE están sujetos a lo que se conoce como una métrica cuántica que se había predicho que daría lugar a CGM en respuesta a la luz. Sin embargo, en la década transcurrida desde que se propuso por primera vez la teoría métrica cuántica para los FQHE, existían técnicas experimentales limitadas para probar sus predicciones.

Durante gran parte de su carrera, el físico de Columbia Aron Pinczuk estudió los misterios de los líquidos FQHE y trabajó para desarrollar herramientas experimentales que pudieran sondear sistemas cuánticos tan complejos. Pinczuk, que se unió a Columbia procedente de Bell Labs en 1998 y fue profesor de física y física aplicada, falleció en 2022, pero su laboratorio y sus alumnos en todo el mundo han continuado su legado. Entre esos alumnos se incluyen los autores del artículo Ziyu Liu, quien se graduó con su doctorado. en física de Columbia el año pasado, y ex posdoctorados de Columbia Du, ahora en la Universidad de Nanjing, y Ursula Wurstbauer, ahora en la Universidad de Münster.

"Aron fue pionero en el enfoque de estudiar fases exóticas de la materia, incluidas las fases cuánticas emergentes en nanosistemas de estado sólido, mediante los espectros de excitación colectiva bajos que son sus huellas dactilares únicas", comentó Wurstbauer, coautor del trabajo actual. P>

"Estoy realmente feliz de que su última propuesta genial e idea de investigación haya tenido tanto éxito y ahora esté publicada en Nature. . Sin embargo, es triste que no pueda celebrarlo con nosotros. Siempre se centró mucho en las personas que estaban detrás de los resultados."

Una de las técnicas que estableció Pinczuk se llamó dispersión inelástica resonante a baja temperatura, que mide cómo las partículas de luz, o fotones, se dispersan cuando chocan contra un material, revelando así las propiedades subyacentes del material.

Liu y sus coautores del artículo adaptaron la técnica para utilizar lo que se conoce como luz polarizada circularmente, en la que los fotones tienen un giro particular. Cuando los fotones polarizados interactúan con una partícula como un CGM que también gira, el signo del giro de los fotones cambiará en respuesta de una manera más distintiva que si estuvieran interactuando con otros tipos de modos.

El nuevo artículo fue una colaboración internacional. Utilizando muestras preparadas por los antiguos colaboradores de Pinczuk en Princeton, Liu y el físico de Columbia Cory Dean completaron una serie de mediciones en Columbia. Luego enviaron la muestra para experimentos en equipos ópticos de baja temperatura que Du pasó más de tres años construyendo en su nuevo laboratorio en China.

Observaron propiedades físicas consistentes con las predichas por la geometría cuántica para los CGM, incluida su naturaleza de espín-2, brechas de energía características entre sus estados fundamental y excitado, y la dependencia de los llamados factores de llenado, que relacionan el número de electrones en el sistema con su campo magnético.

Los CGM comparten esas características con los gravitones, una partícula aún sin descubrir que se predice que desempeñará un papel fundamental en la gravedad. Tanto los CGM como los gravitones son el resultado de fluctuaciones métricas cuantificadas, explicó Liu, en las que el tejido del espacio-tiempo se tira y se estira aleatoriamente en diferentes direcciones.

Por lo tanto, la teoría detrás de los resultados del equipo puede potencialmente conectar dos subcampos de la física:la física de altas energías, que opera en las escalas más grandes del universo, y la física de la materia condensada, que estudia los materiales y las interacciones atómicas y electrónicas que les confieren sus propiedades únicas.

En trabajos futuros, Liu dice que la técnica de la luz polarizada debería ser sencilla de aplicar a líquidos FQHE con niveles de energía más altos que los explorados en el artículo actual. También debería aplicarse a tipos adicionales de sistemas cuánticos donde la geometría cuántica predice propiedades únicas de partículas colectivas, como los superconductores.

"Durante mucho tiempo, existió el misterio de cómo los modos colectivos de longitud de onda larga, como los MCG, podrían probarse en experimentos. Proporcionamos evidencia experimental que respalda las predicciones de la geometría cuántica", dijo Liu. "Creo que Aron estaría muy orgulloso de ver esta ampliación de sus técnicas y esta nueva comprensión de un sistema que había estudiado durante mucho tiempo".

Más información: Jiehui Liang et al, Evidencia de modos de gravitones quirales en líquidos Hall cuánticos fraccionarios, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07201-w

Información de la revista: Naturaleza

Proporcionado por la Iniciativa Cuántica de la Universidad de Columbia