掌中的“宇宙”：凝聚態系統中首次觀測到引力子激發 | 杜靈杰——科學講壇

2025年8月27日，墨子沙龍邀請到南京大學物理學院教授杜靈杰，在上海圖書館東館為觀眾帶來題為“掌中的‘宇宙’——在半導體中一窺量子引力的奧秘”的講座。2024年，杜教授帶領團隊在量子物理領域取得重大進展：首次觀察到引力子在凝聚態物理中的準粒子，為在凝聚態物質中研究量子引力相關物理問題開辟了新的視野。這一重要成果入選了2024年度中國科學十大進展和中國十大科技進展新聞。

本次講座將圍繞三個核心元素展開：量子、引力與半導體。量子如同微觀世界的“導演”，它讓粒子同時扮演多個角色、穿墻而過，甚至相隔萬里也能默契互動，演繹出一幕幕超越日常經驗的物理奇跡。引力是時空的詩人，它以無形的韻律讓星辰流轉、萬物歸位，每一行詩句都寫在行星的軌跡和墜落的蘋果之間；半導體是人類搭建的“量子劇場”，在這納米尺度的舞臺上，粒子們演繹著隧穿、疊加與糾纏的奇妙劇目，讓我們得以一窺宇宙最深層的奧秘。本文根據講座內容整理而成。

物理學的“大一統”追求

人類歷史上的數次科技革命，均源于物理學理論的重大突破。牛頓力學及萬有引力定律首次為引力提供了數學描述，將天體運動與地面物體的運動納入統一框架，開啟了第一次科技革命。隨后，麥克斯韋統一電與磁，建立電磁理論，以簡潔方程組概括全部電磁現象，推動了第二次科技革命。物理學家始終追求以統一理論解釋萬物運行規律，這一目標雖未完全實現，卻持續推動學科發展并催生多次科技變革。

近代物理的兩大核心理論——廣義相對論與量子力學，分別成功描述宏觀世界和微觀世界的物理規律，但二者目前尚未兼容。廣義相對論將引力詮釋為時空彎曲的幾何效應，而非牛頓意義上的超距作用。愛因斯坦預言了引力波，其已被LIGO等探測器觀測到，中國“天眼”FAST等大科學裝置也參與相關探測。這一發現強化了引力作為時空幾何屬性的觀念。量子力學則成功在微觀尺度描述粒子行為，且已將電磁力、強相互作用和弱相互作用統一于量子場論框架中，其分別通過光子、膠子和W/Z玻色子傳遞。而引力尚未被納入該體系。盡管引力波已被探測，其量子化形式——引力子——仍未觀測到。與自旋為1的其它作用力媒介子不同，引力子應具有自旋為2的特性。因此，尋找引力子成為統一廣義相對論與量子力學、實現四種基本力全面統一的關鍵最后一環。

引力子的研究歷程

自廣義相對論提出之初（1915年），愛因斯坦便已嘗試將其與量子力學統一，從而開啟了量子引力的研究進程。量子力學理論體系直至1925年才趨于成熟。1939年，物理學家泡利（Pauli）及其助手費爾茲（Fierz在線性化愛因斯坦場方程的基礎上提出了Fierz-Pauli場方程，成功描述了自旋為2的引力子，標志著量子引力理論邁出關鍵一步，為引力場的量子化提供了重要理論基礎。在量子引力理論發展中，超弦理論也占據核心地位。然而，實驗上探測引力子——尤其是（3+1）維時空中的引力子——極為困難，其信號強度甚至遠低于引力波。從愛因斯坦預言引力波至最終探測成功，歷時百年，而探測引力子所需的條件較之更為苛刻。據物理學家戴森（Dyson）估算，即使以整個地球作為探測器，在理想條件下也需十億年才可能探測到一顆來自太陽的引力子?？紤]到目前為止宇宙年齡僅約138億年，這一難度可見一斑。

探測引力子的研究促使科學界重新審視認識世界的基本范式。傳統科學研究遵循還原論方法，即通過分析系統的最基本組成單元（如原子、分子或神經元）來解釋整體行為。該思想源于牛頓力學，認為一旦掌握底層規律，便可預測系統所有行為。然而，現實世界更多表現為復雜系統，其重要特征在于“整體大于部分之和”。隨著系統復雜性增加，會涌現出無法由個體單元直接推導的新現象與規律。例如，分數量子霍爾效應源于電子間的集體相互作用，意識的產生依賴于大規模神經網絡，人工智能的智能行為實為算法和架構的涌現結果。這類“涌現論”思維已在人工智能、復雜系統與社會研究中廣泛應用。其中，凝聚態物理是研究涌現現象的典型領域，日常所見的固體、液體，以及超導體、超流體等量子物態，均由大量粒子通過相互作用形成的全新集體行為，從而涌現出如超導電流、分數電荷等個體粒子不具備的性質。

在量子引力等前沿領域，單純依賴還原論已顯不足，亟需引入涌現視角，從系統與復雜性的層面重新思考時空、引力與物質的基本結構，這也為探測引力子提供了新的理論路徑。

探尋引力子的實驗開啟

要理解大量電子構成的復雜系統，我們需借助“準粒子”這一強大概念。它們雖不是基本粒子，卻能簡潔描述凝聚態物質中的集體行為，形成一個神秘的“凝聚態宇宙”。例如LED發光就源于電子與“空穴”（一種準粒子）的復合，而石墨烯、超導體等系統中也發現了狄拉克費米子、馬約拉納費米子等新型準粒子。

更值得驚喜的是，這一框架還與量子引力研究相匯合。低維系統（如二維半導體）為在實驗室中研究引力子物理提供了新途徑。在分數量子霍爾效應中，科學家發現了一種具有自旋2和手性特征的激發模式，被稱為“分數量子霍爾引力子”。它源自量子化的度規擾動，行為與理論預言的引力子高度相似。在分數量子霍爾效應中，電子被限制在二維材料內。在極低溫和強磁場條件下，電子的電導率呈現量子化臺階行為，表現出獨特的離散特性。該系統中存在一種量子幾何結構，其波函數不僅受磁場影響，還與空間度規相關——這種度規描述了二維電子的形狀漲落，類似于時空的微觀變形。由此產生的度規擾動量子化激發形成一種“幾何波”，可與高能物理中的引力子類比，為在凝聚態系統中研究量子引力提供了實驗依據。

實驗研究主要基于第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）。通過分子束外延技術可制備高質量的二維電子氣系統，其高遷移率特性使其成為研究量子引力效應的理想平臺。這類微觀結構被稱為掌中"宇宙"，盡管尺寸微?。ǜ鲗咏Y構僅數十納米厚），卻能承載豐富的物理現象。

然而，實驗觀測二維引力子面臨多重挑戰：需在極端條件下進行：50mK極低溫（接近絕對零度）和10T強磁場（地磁的10萬倍）；測溫控溫困難：光學測量中制冷機透光窗口的熱輻射易導致溫度升高；振動干擾：干式稀釋制冷機的脈沖管振動影響測量精度；環境濕度：南方高濕環境要求額外的恒濕控制；技術瓶頸：需開發微波波段的共振非彈性光散射技術，以探測低至50GHz的引力子模；探測手段復雜:引力子模作為四級激發，需通過雙光子非彈性光散射過程進行探測。該過程要求分別使用自旋為+1和-1的圓偏振光作為入射和散射光，以識別其自旋2特性，這一技術要求在當前實驗條件下仍極具挑戰性。

這些挑戰凸顯了發展極端條件下精密測量技術和自主研發實驗設備的重要性，也為凝聚態物理與量子引力的交叉研究指明了方向。

自主搭建出唯一的探尋引力子系統設備

2019年，杜靈杰等人在實驗中意外發現一種新型激發模式（稱“new plasmon”），隨后理論物理學家們提出該激發很可能與引力子相關，促使他回國從零開始搭建極低溫量子實驗系統。歷經三年自主研發，他的團隊成功構建了國際首套能夠在50mK極低溫下探測10GHz微弱激發并測定自旋的實驗裝置，其核心參數達國際領先水平。

利用該設備，他的團隊首次在分數量子霍爾系統中觀測到具有引力子特征的準粒子，實驗證實二維電子氣中度規擾動可產生自旋2的量子激發。該成果于2024年發表，入選“中國科學十大進展”，并被BBC《Science Focus》評價為“朝量子引力理論突破邁出的關鍵一步”。

此項工作首次在真實凝聚態系統中觀測到引力子性質的激發，為1930年代提出的引力子概念提供了實驗參照；開辟了在凝聚態體系中研究量子引力的新路徑；為分數量子霍爾效應的量子幾何理論提供關鍵證據；引力子模對識別非阿貝爾拓撲態和推動拓撲量子計算具重要價值。

問答環節

問：為什么太陽的引力沒有導致八大行星互相碰撞？

答：太陽引力為行星公轉提供向心力，使其維持穩定軌道運動；同時行星間距巨大、軌道平面一致且遵循開普勒定律，從而避免了相互碰撞。

問：貴實驗室在國際上取得重要突破性成果，且實驗難度極高。在團隊年輕、缺乏技術支持的條件下，是如何完成如此苛刻的實驗設備搭建的？特別是稀釋制冷和超強磁場系統是如何實現的？

答：實驗設備并非完全從零搭建，部分組件采用成熟商用產品。制冷通過稀釋制冷機實現，超強磁場則由超導磁體產生——其利用超導材料在低溫下的零電阻特性，可通過極大電流生成高強度磁場。

問：量子世界與宏觀世界本質上是兩個獨立的世界，還是屬于同一世界的不同表現形式？

答：這或許是物理學中的一個終極問題。目前尚無確切的答案，但基于現有科學框架，我更傾向于認為它們屬于同一現實世界，只是需采用不同的理論體系進行描述——量子力學適用于微觀尺度，經典物理學適用于宏觀尺度。這種認識本身也隨著科學進步而持續演化。例如，歷史上人類曾認為地球是平的，后來才認識到它是球體；如今，有觀點認為所有基本粒子實則是從更基礎的結構中“涌現”出來的，這種涌現論的視角正為連通宏觀與微觀世界提供一種新的思路?？茖W的魅力恰恰在于，我們的認知始終處于不斷深化和發展的過程之中。

問：空穴作為一種準粒子，與引力子在物理描述上有何關聯？此外，電子激發涉及能帶間的躍遷，引力子的激發過程又是怎樣的？

答：空穴與引力子雖同屬準粒子范疇，但二者并無直接物理關聯。準粒子在凝聚態系統中廣泛存在且具有重要物理意義，不能因其非基本粒子而低估其價值。引力子的激發過程與廣義相對論中時空度規的擾動密切相關。在二維電子系統中，引力子激發可理解為度規漲落導致的集體能量躍遷。與常規電子躍遷（通過吸收光子實現能帶間躍遷）不同，引力子激發的過程中：光子作為能量載體入射系統，首先引發二維空間的量子度規擾動（可類比為布料的抖動），這種度規波動進而促使電子發生躍遷。換言之，電子的能量變化并非直接由光子引起，而是由度規的量子化波動所驅動。

問：實驗如何通過二維系統驗證現實三維世界的理論？準粒子是否已被實驗觀測？手性引力子的具體含義是什么？

答：在實驗物理中，降維研究（如二維電子系統）有助于簡化復雜問題并揭示新現象，但從低維結果向高維理論的推廣仍存在挑戰。準粒子已被大量實驗證實，例如空穴、聲子等均是可觀測的物理實在，手性引力子也是一種準粒子。手性引力子特指在特定條件下（如分數量子霍爾效應中）發現的兩維空間中的具有特定手性的引力子激發。通常高維時空中的引力子可具有雙重自旋態（如+2或-2），但實驗中觀測到的引力子模僅呈現單一自旋方向（只能為+2或-2），這種自旋自由度受限的特性被稱為“手性”。現實宇宙中的3+1維時空中的引力子本身無固定手性，而“手性引力子”是低維凝聚態系統中涌現的、具有特定對稱性破缺的準粒子表現形式。

問：在什么情況下會產生物體之間的強相互作用力？

答：強相互作用力一般只在非常小的距離里面產生，例如，在質子內部的夸克跟夸克之間。

問：小說《三體》中描述的“水滴”探測器基于強相互作用力原理。人類未來是否可能將強相互作用力實際應用于武器化？

答：在四種基本相互作用力（電磁力、強相互作用力、弱相互作用力、引力）中，人類對電磁力的理解和操控能力是比較深刻的，而對其他三種力仍非常有限。若未來在強相互作用力理論與技術上取得突破，其武器化存在理論可能性，但這屬于遠期展望，目前尚未實現有效掌控。

內容整理：路飛

本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

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