材料百态

提到凝聚态，我们或许了解不深，但生活中大部分物质都是凝聚态。在微观上解释，就是凝聚态中大量的电子、分子等单体的集体行为，会导致系统呈现出区别于单体的特征。单体聚集而成的复杂系统可以看成是“新粒子”组成的简单系统，这种“新粒子”被称为准粒子。

目前，科学家已经发现凝聚态系统中的准粒子具有与基本粒子类似的物理性质，可被视作基本粒子在凝聚态中的对应。近年来，诺贝尔物理学奖得主Haldane等物理学家提出了一个新的观点：在分数量子霍尔液体（一种超越传统固体物理框架的强关联物质形态）中，引力子可能以准粒子的形式涌现。理论物理学家将这类准粒子称为分数量子霍尔引力子。这种引力子在实验上表现为低能模式激发，所以也被称为引力子模或引力子激发。

引力子模不仅具有类似于引力子的性质，而且可以通过相应的量子引力方程来描述。但是，引力子模在实验上一直没有被观察到。

极限条件下引力子模的发现

2019年，我们团队在分数量子霍尔效应中发现了一种新的集体激发，被理论物理学家认为可能是分数量子霍尔引力子。为了证实这种引力子，完备实验证据是必须的。然而，当时国内外尚无实验设备和极限实验条件能够满足实验要求：一是极低的温度（约50mK），二是强磁场（约10T），三是极低能量测量（约50GHz）。因此，该实验一直被认为是极难完成的任务。

经过多年的努力，我们团队通过巧妙的设计满足了众多看似矛盾的严苛测量要求，集成组装了一台极低温、强磁场共振非弹性偏振光散射系统。利用这套系统，我们团队测量到了分数量子霍尔效应中的引力子模。

此次引力子模的发现被理论物理学家赋予重要的物理意义，将其解释为二维空间的有质量引力子。该实验工作是自引力子这一概念提出以来，首次在实验上观察到准粒子形态的引力子。

开辟研究新方向

以往人们在研究分数量子霍尔效应时，主要关心其“拓扑”性质，而忽视“量子几何”的重要性。2016年诺贝尔物理学奖告诉我们：甜甜圈和橡皮圈在“拓扑”上是相等的，因为他们都有一个洞；而如果我们把橡皮圈绷紧，用手拨动橡皮圈产生的振动则对应着“量子几何”效应。实际上，“量子几何”与“拓扑”有着相当的重要性，对理解物质的关联性质都是不可或缺的。引力子模的实验发现证实了分数量子霍尔效应的新量子几何理论。

未来，引力子模的这一新研究方向，将有助于指引科学家更深入地理解凝聚态物质微观结构和相互作用机制。今后的新型电子器件和新型材料可能就得益于这种对物质微观结构的深入认识，推动相关应用的发展，带来信息处理速度的极大提升，网络通信、大数据分析、人工智能等领域将迎来新的发展机遇。

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