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(noticias nanowerk) Un equipo de científicos de Columbia, la Universidad de Nanjing, Princeton y la Universidad de Munster escriben en la revista Naturaleza (“Evidence for chiral graviton modes in fraccional quantum Hall liquids”) han presentado la primera evidencia experimental de excitaciones colectivas con espín, los llamados modos de gravitón quirales (CGM), en un material semiconductor. Un CGM parece parecerse 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 misteriosa.
La capacidad de estudiar partículas similares a gravitones en el laboratorio podría ayudar a cerrar brechas críticas 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 fundamentación experimental de este concepto de gravitones, postulado en un trabajo fundamental sobre la gravedad cuántica desde la década de 1930 en un sistema de materia condensada», dijo Lingjie Du, ex becario postdoctoral de la Universidad 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 fluidos 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, creando conceptos matemáticos aplicables a las pequeñas distancias físicas a las que la mecánica cuántica afecta los fenómenos físicos. Los electrones en un FQHE están sujetos a la llamada métrica cuántica que se predijo 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, ha habido técnicas experimentales limitadas para probar sus predicciones.
El físico colombiano Aron Pinczuk pasó gran parte de su carrera explorando los misterios de los líquidos FQHE y trabajando para desarrollar herramientas experimentales que pudieran estudiar sistemas cuánticos tan complejos. Pinczuk, que llegó a Columbia procedente de los Laboratorios Bell en 1998 y fue profesor de física y física aplicada, murió en 2022, pero su laboratorio y sus alumnos de todo el mundo continúan su legado. Estos alumnos incluyen a los autores del artículo Ziyu Liu, quien completó su doctorado en física en la Universidad de Columbia el año pasado, así como a los ex postdoctorados de Columbia Du, ahora en la Universidad de Nanjing, y Ursula Wurstbauer, ahora en la Universidad de Münster.
«Aron fue pionero en el estudio de fases exóticas de la materia, incluidas las fases cuánticas emergentes en nanosistemas de estado sólido, utilizando espectros de excitación colectiva profunda que representan sus huellas dactilares únicas», comentó Wurstbauer, coautor del artículo actual. “Estoy muy feliz de que su última brillante propuesta e idea de investigación haya tenido tanto éxito y ahora se esté publicando. Naturaleza. Sin embargo, es triste que no pueda celebrarlo con nosotros. Siempre dio gran valor a las personas detrás de los resultados”.
Una de las técnicas desarrolladas por Pinczuk se llamó dispersión inelástica resonante a baja temperatura. Esto implica medir cómo se dispersan las partículas de luz o los fotones cuando chocan contra un material, revelando las propiedades subyacentes del material. Liu y sus coautores sobre el Naturaleza En el trabajo, la técnica se adaptó para utilizar la llamada luz polarizada circularmente, en la que los fotones tienen un espín específico. Cuando los fotones polarizados interactúan con una partícula como un CGM que también está girando, el signo del giro de los fotones cambia más significativamente en respuesta que si interactuaran con otros tipos de modos.
El nuevo periódico está aquí. Naturaleza Fue una colaboración internacional. Utilizando muestras preparadas por antiguos colaboradores de Pinczuk en Princeton, Liu y Columbia, el físico Cory Dean realizó una serie de mediciones en Columbia. Luego enviaron la muestra para experimentos con dispositivos ópticos de baja temperatura que Du había pasado 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, las brechas de energía características entre sus estados fundamental y excitado, y la dependencia de los llamados factores de llenado, que controlan la cantidad de electrones en el sistema. su campo magnético.
Los CGM comparten estas propiedades con los gravitones, una partícula aún no descubierta que se predice que desempeñará un papel crucial 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 hallazgos del equipo puede potencialmente unir dos subcampos de la física: la física de altas energías, que abarca 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. propiedades.
En trabajos futuros, Liu dice que la técnica de la luz polarizada debería aplicarse fácilmente a líquidos FQHE con niveles de energía más altos que los estudiados en el trabajo actual. También debería aplicarse a otros tipos de sistemas cuánticos en los que la geometría cuántica predice propiedades únicas de partículas colectivas, como los superconductores.
“Durante mucho tiempo hubo un misterio sobre cómo se podían estudiar en experimentos los modos colectivos de onda larga como los MCG. «Proporcionamos evidencia experimental que respalda las predicciones de la geometría cuántica», dijo Liu. «Creo que Aron estaría muy orgulloso de ver esta expansión de sus técnicas y su nueva comprensión de un sistema que ha estudiado durante mucho tiempo».
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