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    视频连线 | 我们距离发现引力子还有多远

    发布时间:2024-04-15 点击次数: 作者:赵卫华 李忠明 金凤 责编:申博恒 王晓艳 来源:科技日报

    访谈实录

    最近我们关注到南京大学物理学院的杜灵杰教授团队在《自然》上发表了一篇文章,说发现了引力子特征的准粒子。这个(研究)引发了网友的热议。网络上有一种说法,说这项成果有可能成为预定诺奖的成果,发现了引力子的“投影”。

    那这项成果到底有什么影响呢?今天我们就邀请到了南京大学物理学院杜灵杰教授,还有新加坡南洋理工大学物理系的杨波教授,请他们和大家一起聊一聊。

    主持人:杜老师您好!最近我们关注到您在《自然》上发表了一篇文章,发现了引力子特征的准粒子。那么这个发现和引力子之间有什么关系吗?

    杜灵杰:首先我们的工作并没有观察到真正的大家一般意义上的引力子,但确实是在一个真实的系统中揭示了引力子物理的现象。我们这一发现和(发现)引力子比,打个比方吧,可能就像纸飞机和喷气式飞机的差距。引力子的研究是物理学的终极问题之一,如果发现引力子,那将是验证大统一理论的关键,这个影响将超乎想象。

    主持人:好的,刚才杜老师说,这项研究距离真正地发现引力子可能还有特别长的路要走。那么杨教授,针对网上说,这项成果有可能成为预定诺奖的成果,还有发现了引力子的“投影”,您怎么看这个事情?

    杨波:首先我可以讲一下,就是杜老师的这个工作就是从难度来讲或者重要性来讲,肯定是毋庸置疑的。因为他们在这个二维电子气里面看到了这样一个非常有意思的一种激发,在实验上非常困难。因为我们知道在二维电子气里面实现分数量子霍尔效应已经是非常难的一个实验了,对超低温、强磁场跟高质量的样品都有非常高的要求。然后杜老师他们的团队能够在这么苛刻的条件下还能够精确地去实现光子和电子液体的耦合和测量,特别是他们用的是一种旋转偏振光去捕捉所谓引力子激发的信号,真的非常不容易。因为在分数量子霍尔效应里面,引力子这个概念和理论大概十几年前就提出来过了,因为它的能量和很多其他激发态的能量相当,所以在很长一段时间内觉得在实验上是非常难以看到的。所以杜老师他们这个工作在实验技术上也好,或者对验证理论上来讲,也是非常大的一个突破。

    你刚才讲的就关于媒体的这个说法,是不是可以预定诺奖什么的,我(觉得)这可能还是一个比较抓眼球的一种说法。因为在我们领域的话,一些很严肃很重要的工作,其实我们不会一开始去贴一个标签说是什么级别,或者诺奖级别的一个工作。因为我们知道,除了一些非常少数的例子以外,大部分诺奖的工作都需要经过十几年甚至几十年的沉淀,才能对它的重要性和影响性有一个比较全面的了解,甚至它实用性方面有一个全面的了解。所以目前来讲,我们应该还是要祝贺一下杜老师这个非常重要的工作,然后让我们拭目以待吧。

    主持人:杜老师,刚才您也提到了就说目前的研究成果可能距离真正地发现引力子还有特别长的路要走,那么您目前的这项研究有哪些意义和作用呢?

    杜灵杰:我们在这个分数量子霍尔效应中观察到的引力子模,这一实验结果是首次在一个真实系统中观察到具有引力子特征的一个集体激发。那这项研究呢,它可以为在凝聚态系统中探索量子引力相关的物理开辟路径。并且我们这个研究对于凝聚态物理来说,本身也很重要。它可以为分数量子霍尔效应全新的几何解释提供直接的实验证据,开辟了在关联物态量子几何研究中的一个新方向。

    主持人:刚才两位老师分别介绍了这项成果的影响,还有意义。那么大家也可能比较好奇,就是杜老师,您在研究的过程中有什么比较难忘的事情可以和大家分享一下吗?

    杜灵杰:是这样,我们当时就是说花了将近三年时间,在南京大学这边我们就自主设计,然后组装了一台根植于稀释制冷技术的这种极低温、强磁场的这么一台共振非弹性偏振光散射系统。其实它也是一台类似于拉曼系统(的实验平台)。这个系统大概有两层楼高,它可以把样品(冷却到)零下273.1摄氏度,捕捉到最低达到10G赫兹的微弱激发,并且判断其自旋。我当时想做这个实验的时候,国内外其实并没有满足这种测量要求的设备。这个实验对设备的要求也非常高,所以我们当时花了很长的时间去进行设计,并且解决这一系列的困难。

    这个研究其实也是一波三折。因为我们的样品来自国外的合作者,但当初样品进出海关的时候差点被扔掉。当时我正好在外地出差,急得我连夜回到了南京,立刻写申请担保,这才保住了我们的实验样品,也才有了后面的一系列的实验。而在后面的实验过程中,其实我们也走了很多的弯路。由于思维定势的一些限制,我们的研究对象是分数量子霍尔效应中的引力子模,其根据理论最明显的特征其实就是自旋为2。这也是很多时候媒体在说的事情,所以我们当时也是这么认为的。在前期的实验中主要关注的是自旋特征,但其实自旋2并不代表就一定是引力子模,引力子模的特征能量同样重要。但这也是到后来我才意识到的。

    我还记得是2023年7月份的时候,在西班牙参加一个国际会议的时候,有一位非常资深的专家问了我一个问题。他说你怎么知道自旋为2的激发就一定是引力子模呢?当时一下子把我给问住了。就是我记得当时那个星期我过得很痛苦,为了回答这个问题,因为我自己也想搞明白这个事情。但有的时候思维定势的改变是很困难的。后来过了一两个月,最终我才想到我们可以通过特征能量的方式证明引力子模。这最终也让论文顺利发表。

    主持人:这项成果目前已经取得了一个阶段性的突破。那么,接下来杜老师您有什么新的研究计划吗?

    杜灵杰:我个人觉得凝聚态它是一个非常有意思的学科领域,它的研究范围也很广。比如近年来人们已经发现很多新奇的粒子在凝聚态系统中都存在着具有类似物理性质的对应。这样人们可以利用相对小巧的凝聚态实验平台来研究高深的粒子物理。那未来呢,我打算继续围绕分数量子霍尔效应中的引力子模继续(深入)展开(一些)系统的研究工作。

    主持人:凝聚态物理研究在过去40多年可以说诞生了很多成果。就比如说诺奖,还有中国的国家自然科学奖。那么就是,为什么国内还有国际上有这么多科学家都朝这个方向去研究呢?您能给我们分享一下吗?

    杨波:主要的原因可能还是因为凝聚态物理其实是一个非常广的一个物理的一个分支。因为它其实下面有很多分支。通俗来讲,凝聚态物理是研究对各种物体跟各种液体的研究。我还特意查过一下,就是在以前,就是比如说五六十年前甚至更早的时候的各个分支,比如说像晶体学也好,冶金学也好,弹性力学、磁学到现在都被归纳到凝聚态物理里面。因为它有一套非常统一的思想去研究这一类固体,甚至是固体跟液体这样一些系统。

    然后从另外一个方面来讲,就是凝聚态物理、化学、材料学等其他的学科也有非常紧密的联系。所以不管是中国也好,或者是国外很多其他国家来讲,从事凝聚态物理学的科学家应该确实是在所有物理学大分支里面是最多的。因为它其实包含的面也就是非常的广。然后另外一个角度可能也就是,说凝聚态物理虽然它里面有非常抽象,也非常高深的理论,但它总的来说在很多方面也会比较接地气吧。比如说一些最有意思的系统之一,比如说像超导体,可以说是非常抽象的一套理论,大家也花了很多的时间去理解超导到底是怎么一个机制。但超导体跟我们平常日常关系的相关度还算是比较高的。比如说我们知道在核磁共振里面超导体已经得到了比较大的一个应用。甚至在我们现在的手机里面超导体也是扮演着重要的角色,可以让我们把一个很大的一个装置缩小到一个很小的一个装置。所以跟其他学科来比的话,可能它也是一个比较接地气的一个学科一个分支吧。

    主持人:好的,感谢两位老师的精彩分享。我们也希望中国的科学家有更多的原创性贡献。今天的节目就到这里,感谢大家的关注。关注科技日报,了解更多精彩内容。我们下期再见。