Investigadores de la Universidad de Nanjing y otras instituciones han informado de la observación de múltiples gravitones quirales, lo que proporciona evidencia de la teoría parton del efecto FQH.
Como se publicó en Nature Physics, el equipo estaba buscando evidencia experimental de una variedad de gravitones quirales y estaba llevando a cabo más investigaciones sobre partones ocultos en materia cuántica fraccionada.
«Nuestro experimento proporciona un camino para dilucidar los partones individuales y sus fases Hall cuánticas fraccionarias a través de mediciones de gravitones. Esto podría extenderse potencialmente a una amplia gama de fases exóticas de la materia, incluido el orden topológico de los excitones y los aisladores fraccionarios de Chern», comentó Lingjie Du, autor principal del artículo.
¿Qué es un gravitón quiral?
Las partículas cargadas negativamente, también conocidas como electrones, pueden coordinar sus movimientos de manera que se produzcan ciertas excitaciones colectivas conocidas como cuasipartículas.
Esto se observa en el efecto Hall cuántico, donde los electrones están confinados en una capa muy delgada, expuestos a un campo magnético muy fuerte y enfriados a una temperatura de aproximadamente 0 Kelvin.
¿Qué es la teoría del partón?
Existen varias teorías que explican la excitación colectiva de los estados cuánticos de Hall, una de las cuales es el marco de la teoría de Parton. Esta teoría supone que los partones emergentes (cuasipartículas similares a quarks en la física de la materia condensada, que no deben confundirse con los quarks en la física de partículas) son responsables de parte de la excitación colectiva de los estados cuánticos de Hall.
Teóricamente, pequeñas fluctuaciones en la métrica cuántica del sistema generan excitaciones colectivas de espín 2 conocidas como gravitones quirales.
Gravitones de baja energía observados en estado FQH
«En el estado de Hall cuántico fraccional (FQH), cerca del factor de llenado medio, sólo se observó un tipo de modo de gravitón quiral, ahora llamado gravitón de baja energía», continuó Du.
«Posteriormente, observamos gravitones de alta energía además de gravitones de baja energía cerca de un cuarto de llenado, con factores de llenado como v = 2/7 y 2/9. Este descubrimiento es significativo. Los primeros trabajos experimentales en 2024 mostraron que la energía del gravitón es proporcional a la carga fraccionaria asociada con el estado FQH».
«Por lo tanto, la observación de dos modos de gravitón dentro de un estado FQH indica la presencia de dos cargas fraccionarias diferentes, lo que puede entenderse naturalmente dentro de la teoría parton del efecto FQH».
En estudios anteriores, los investigadores observaron experimentalmente gravitones de baja energía, pero no gravitones de alta energía. Los gravitones de baja energía son cuasipartículas que emergen a través de efectos FQH y requieren menos energía para emerger, mientras que la exploración de gravitones de alta energía requiere excitaciones de mayor energía.
Du y su equipo de investigación todavía esperan observar partones de alta energía para proporcionar evidencia más definitiva de la teoría del efecto FQH.
«Las partones discutidas aquí son cuasipartículas similares a quarks con carga fraccionada que también pueden llevar cargas fraccionarias, pero son diferentes de los aniones, que siguen las estadísticas de aniones», explicó Du.
«Las fluctuaciones en la métrica cuántica pueden dar lugar a excitaciones geométricas de espín-2 de longitud de onda larga asociadas con partones de alta energía, es decir, gravitones de alta energía. Nuestro nuevo estudio muestra que a temperaturas muy bajas (alrededor de 50 mK) y en campos magnéticos fuertes (hasta 14 Tesla) investigamos el espín y la energía de los modos de gravitones a altas energías utilizando un método llamado dispersión de luz inelástica resonante polarizada circularmente. Esto permitió la detección de gravitones de alta energía.»
Las mediciones realizadas por el equipo utilizando dispersión de luz inelástica resonante polarizada circularmente confirmaron la presencia de gravitones de baja y alta energía. Esto proporcionó evidencia espectroscópica de partículas de alta energía, que no se habían observado directamente antes de este estudio.
«Las observaciones de múltiples gravitones, especialmente los de alta energía, son importantes para probar la teoría geométrica del efecto FQH», dijo Du. «También proporcionamos evidencia experimental de que las partones FQH son cuasipartículas genuinas en materiales fuertemente correlacionados, lo que proporciona evidencia largamente buscada para la teoría de los efectos FQH».
«Hay muchas direcciones interesantes para explorar».
«Por ejemplo, el modo gravitón que detectamos es un modo quiral de espín-2, pero los modos de espín superior, que podrían sugerir conexiones con la física de cuerdas no relativista, podrían detectarse utilizando fotones que transportan momento angular orbital», añadió Du.
«Las inestabilidades superconductoras que surgen del emparejamiento de partones neutros pueden dar lugar a estados no abelianos-Moore-Reid, que pueden identificarse mediante la detección de modos de gravitones y son esenciales para los cálculos cuánticos topológicos».
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