Kolumbiya, Nankinq Universiteti, Prinston və Munster Universitetindən olan bir qrup elm adamı Nature jurnalında yazaraq , yarımkeçirici materialda şiral qraviton rejimləri (CGMs) adlanan spinlə kollektiv həyəcanların ilk eksperimental sübutunu təqdim etdi.

CGM, kainatdakı əsas qüvvələrdən biri olan və son səbəbi sirli olaraq qalan cazibə qüvvəsini hipotetik olaraq yaratdığı üçün yüksək enerjili kvant fizikasında daha yaxşı tanınan, hələ kəşf edilməmiş elementar hissəcik olan qravitona bənzəyir.

Nəzəri fizika və eksperimental reallıq arasında əlaqə

Laboratoriyada qravitona bənzər hissəcikləri öyrənmək bacarığı kvant mexanikası ilə Eynşteynin nisbilik nəzəriyyələri arasındakı kritik boşluqları doldurmağa, fizikada böyük bir dilemmanı həll etməyə və kainat haqqında anlayışımızı genişləndirməyə kömək edə bilər.

“Bizim təcrübəmiz, 1930-cu illərdən bəri kvant cazibəsinə dair qabaqcıl işlərin kondensasiya olunmuş maddə sistemində irəli sürdüyü bu qravitonlar konsepsiyasının ilk eksperimental əsaslandırılmasıdır” dedi, keçmiş Kolumbiya postdoktu və məqalənin baş müəllifi Lingjie Du.

Kvant Metrik və Onun Proqnozları

Komanda hissəciyi fraksiya kvant Hall effekti (FQHE) mayesi adlanan bir növ qatılaşdırılmış maddədə kəşf etdi. FQHE mayeləri yüksək maqnit sahələrində və aşağı temperaturda iki ölçüdə meydana gələn güclü qarşılıqlı əlaqədə olan elektronlar sistemidir. Onlar kvant həndəsəsi, kvant mexanikasının fiziki hadisələrə təsir göstərdiyi kiçik fiziki məsafələrə aid olan yeni yaranan riyazi anlayışlardan istifadə etməklə nəzəri olaraq təsvir edilə bilər.

FQHE-dəki elektronlar, işığa cavab olaraq CGM-lərə səbəb olacağı proqnozlaşdırılan kvant metrikası kimi tanınana tabedir. Bununla belə, kvant metrik nəzəriyyəsinin FQHE-lər üçün ilk dəfə təklif edildiyi onillikdə onun proqnozlarını yoxlamaq üçün məhdud eksperimental üsullar mövcud idi.

Aron Pinczuk irsi: Pioner Kvant Tədqiqatları

Kolumbiyalı fizik Aron Pinczuk karyerasının böyük bir hissəsində FQHE mayelərinin sirlərini öyrəndi və belə mürəkkəb kvant sistemlərini araşdıra bilən eksperimental alətlər hazırlamaq üçün çalışdı. 1998-ci ildə Bell Labs-dan Kolumbiyaya qatılan və fizika və tətbiqi fizika professoru olan Pinczuk 2022-ci ildə vəfat etdi, lakin onun laboratoriyası və bütün dünya üzrə məzunları onun irsini davam etdirirlər. Bu məzunlar arasında keçən il Kolumbiyada fizika üzrə fəlsəfə doktoru dərəcəsi ilə məzun olmuş məqalə müəllifləri Ziyu Liu və indi Nankin Universitetində olan keçmiş Kolumbiya postdoksları Du və indi Münster Universitetində olan Ursula Vurstbauer daxildir .

Hazırkı işin həmmüəllifi Wurstbauer, “Aron maddənin ekzotik fazalarının, o cümlədən bərk dövlət nanosistemlərində yaranan kvant fazalarının, onların unikal barmaq izləri olan aşağı səviyyəli kollektiv həyəcan spektrləri ilə öyrənilməsi yanaşmasına öncülük etdi”. “Mən həqiqətən xoşbəxtəm ki, onun son dahi təklifi və tədqiqat ideyası belə uğurlu olub və indi Nature jurnalında dərc olunub . Ancaq onun bizimlə qeyd edə bilməməsi təəssüf doğurur. O, həmişə nəticələrin arxasında insanlara güclü diqqət yetirir”.

Kvant Fizikasında İnnovativ Texnikalar

Pinczuk-un qurduğu üsullardan biri, yüngül hissəciklərin və ya fotonların materiala dəydikdə necə səpilməsini ölçən aşağı temperaturda rezonanslı qeyri-elastik səpilmə adlanır və beləliklə, materialın əsas xüsusiyyətlərini ortaya qoyur.

Liu və onun “Nature ” qəzetindəki həmmüəllifləri bu texnikanı fotonların xüsusi fırlanması olan dairəvi qütbləşmiş işıq kimi tanınandan istifadə etmək üçün uyğunlaşdırdılar. Qütbləşmiş fotonlar eyni zamanda fırlanan CGM kimi bir hissəciklə qarşılıqlı əlaqədə olduqda, fotonların spininin işarəsi cavab olaraq digər növ rejimlərlə qarşılıqlı əlaqədə olduğundan daha fərqli şəkildə dəyişəcəkdir.

Beynəlxalq əməkdaşlıq və kvant həndəsəsi

Təbiətdəki yeni sənəd beynəlxalq əməkdaşlıq idi. Pinczuk-un Princetonda uzun müddət işləyən əməkdaşları tərəfindən hazırlanmış nümunələrdən istifadə edərək, Liu və Kolumbiya fiziki Cory Dean Kolumbiyada bir sıra ölçmələri tamamladı. Daha sonra nümunəni Du-nun Çindəki yeni laboratoriyasında üç ildən çox müddətə tikdiyi aşağı temperaturlu optik avadanlıqda təcrübələr üçün göndərdilər. Onlar CGM-lər üçün kvant həndəsəsi ilə proqnozlaşdırılanlara uyğun fiziki xassələri, o cümlədən spin-2 təbiətini, onun əsas və həyəcanlı vəziyyətləri arasında xarakterik enerji boşluqlarını və sistemdəki elektronların sayını birləşdirən doldurma faktorlarından asılılığı müşahidə etdilər. onun maqnit sahəsi.

Nəzəri nəticələr və gələcək istiqamətlər

CGM-lər bu xüsusiyyətləri qravitonlar ilə bölüşür, cazibə qüvvəsində kritik rol oynayacağı təxmin edilən hələ də kəşf edilməmiş hissəcik. Həm CGM-lər, həm də qravitonlar kvantlaşdırılmış metrik dalğalanmaların nəticəsidir, Liu izah etdi ki, bu zaman kosmos-zamanın toxuması təsadüfi olaraq müxtəlif istiqamətlərdə çəkilir və uzanır. Komandanın nəticələrinin arxasında duran nəzəriyyə buna görə də fizikanın iki alt sahəsini potensial olaraq birləşdirə bilər: kainatın ən böyük miqyasında fəaliyyət göstərən yüksək enerji fizikası və materialları və onlara unikal xassələrini verən atom və elektron qarşılıqlı təsirləri öyrənən qatılaşdırılmış maddə fizikası.

Gələcək işdə Liu deyir ki, qütblü işıq texnikası hazırkı məqalədə araşdırıldığından daha yüksək enerji səviyyələrində FQHE mayelərinə tətbiq etmək üçün sadə olmalıdır. O, həmçinin kvant həndəsəsinin superkeçiricilər kimi kollektiv hissəciklərdən unikal xassələri proqnozlaşdırdığı kvant sistemlərinin əlavə növlərinə də şamil edilməlidir.

“Uzun müddətdir ki, CGM kimi uzun dalğa uzunluğuna malik kollektiv rejimlərin təcrübələrdə nə qədər araşdırıla biləcəyi ilə bağlı bu sirr var idi. Biz kvant həndəsəsi proqnozlarını dəstəkləyən eksperimental sübutlar təqdim edirik” dedi Liu. “Düşünürəm ki, Aron öz texnikalarının bu genişlənməsini və uzun müddət öyrəndiyi sistem haqqında yeni anlayışı görməkdən çox qürur duyar.”