杜灵杰教授团队继 2024 年全球首次观测到凝聚态体系引力子模、成果入选2024 年度中国科学十大进展后，再获突破性进展，从实验层面完整厘清引力子模微观起源 —— 证实这类自旋为 2 的类引力准粒子，诞生于强关联电子体系中涌现出的 “部分子” 几何振荡，为量子引力、拓扑量子计算研究开辟全新实验范式。
一、百年物理难题：只存在于理论的引力子，在微观材料 “现身”
广义相对论预言，传递引力相互作用的基本粒子为引力子，其量子波动对应宇宙尺度的引力波。但引力子极难直接探测，长期仅停留在理论框架，是统一广义相对论与量子力学的核心瓶颈。
近年理论提出，在分数量子霍尔液体这类极端强关联二维电子体系中，会涌现具有自旋 2 特征的集体激发模式，即引力子模，相当于引力子在凝聚态材料中的微观 “投影”，可在实验室可控条件下模拟量子引力行为国家自然科学基金委员会。
2024 年，杜灵杰团队自主搭建全球领先的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统，创造仅高于绝对零度 0.05 开尔文、磁场强度达地球地磁场 10 万倍的极端实验环境，在砷化镓量子阱二维电子气中，人类第一次观测到手性引力子模，轰动国际物理学界，但当时其产生底层机理始终悬而未决西藏自治区科学技术厅。
二、自主研发 “微型粒子对撞机”，锁定引力子模本源
本次攻关中，科研团队将自研光散射装置比作微观版粒子对撞机：大型高能对撞机依靠高能粒子轰击原子核，而本设备以精准可控光子束撞击量子阱内强关联电子，捕捉电子集体运动产生的微弱量子激发信号。
实验过程中，团队在更高能量区间捕捉到全新高能引力子模，同步观测到高、低能两类引力子激发信号。通过多组变量调控对照实验，科研人员发现清晰对应规律：体系内 “部分子” 微观状态直接决定引力子模能否存在 —— 当某一类携带分数电荷的部分子转变为电中性时，与之匹配的引力子模会同步消失；两类激发信号的振动频率、能量特征，完全匹配不同部分子集体几何振荡模型。
杜灵杰教授表示：“一系列对照实验形成完整证据链，明确证明凝聚态引力子模并非电子整体运动产生，而是关联电子分裂形成的‘部分子’发生几何形变、周期性振荡催生的集体量子涟漪。”邯郸市科学技术局
三、里程碑意义：打通量子引力模拟与拓扑量子计算赛道
业内专家评价，本次成果实现三重重大突破：
- 补齐基础物理关键短板：首次用实验完整解释引力子模微观生成机制，验证诺贝尔物理学奖得主霍尔丹提出的量子度规几何理论，搭建起微观凝聚态体系与宇宙量子引力理论的实验桥梁，大幅降低量子引力研究的观测门槛；
- 证实电子分形微观结构：直接观测到强关联环境下电子可裂解为携带分数电荷的部分子，刷新人类对电子微观形态的认知；
- 赋能下一代量子技术：分数量子霍尔体系是拓扑量子比特核心载体，明晰引力子模起源，可精准调控量子纠缠、抑制量子退相干，为高容错拓扑量子计算机研发提供核心实验依据。
四、深耕极端量子实验，夯实我国凝聚态物理全球领先地位
据了解，整套极低温偏振光散射实验平台全部由南京大学团队自主设计、集成、调试，突破国外设备技术垄断。多年来团队深耕分数量子霍尔、量子准粒子前沿，连续在《自然》《自然・物理》产出原创重大成果，持续占据凝聚态量子引力模拟领域全球第一梯队。
杜灵杰团队透露，下一步将基于本次理论与实验成果，开展多组分量子阱、新型二维半导体材料拓展实验，探索更多可模拟量子引力的人工量子体系，持续推动基础物理原始创新与量子信息产业技术落地。
