Forskare har visat förmågan att mäta effekterna av fysiska fenomen i fyra dimensioner på experiment som utförs i en tredimensionell värld. Det nya arbetet bygger på upptäckterna som tilldelades Nobelpriset i fysik för 2016 och kan ligga till grund för fundamentalt nya tillvägagångssätt för att förstå kvantmekanik, samt bygga en teori om kvantgravitation. En artikel av det europeiska laget publicerades i tidskriften Nature.
Världen omkring oss verkar ha tre dimensioner. Men många fysiska teorier tar hänsyn till situationer med ett stort antal dimensioner: i allmänhet finns det fyra av dem (tre rumsliga och en tidsmässig, kombinerade till en kontinuerlig), och i supersträngsteori beaktas endast 10 rumsliga oberoende riktningar. Det nya arbetet av fysiker visar möjligheten att observera påverkan av fyrdimensionella processer på tredimensionella experiment, som figurativt kan jämföras med gjutningen av en tvådimensionell skugga av tredimensionella objekt.
Fysiker studerar ett system av ultrakolda atomer i en tvådimensionell optisk fälla av laserstrålar, vilket skapar ett supergitter - superpositionen av två periodiska potentialer med olika perioder. I denna design visas en ny typ av kvant Hall-effekt som förutses för fyrdimensionella system. Den vanliga Hall-effekten uppstår när laddade partiklar rör sig i ett plan i närvaro av ett magnetfält. Fältet verkar på partiklarna med Lorentz-kraften, som avböjer dem i riktningen vinkelrätt mot rörelsen. Som ett resultat visas en tvärgående (relativt den ursprungliga rörelseriktningen) potentialskillnaden, kallad Hall-spänningen. 1980 visade Klaus von Klitzingatt vid mycket låga temperaturer och höga magnetfält kan denna spänning bara ta på sig vissa värden - denna upptäckt kallas heltalskvantum Hall-effekten.
Senare visade det sig att det nödvändiga villkoret för utseendet av kvant Hall-effekten är just tvådimensionaliteten i systemet, och dess specifika fysiska egenskaper är inte så viktiga. Detta beror på topologin för kvantmekanisk vågfunktion. Du kan också bevisa att en liknande effekt är omöjlig i tredimensionella kroppar, eftersom riktningen vinkelrätt mot hastigheten inte bestäms unikt.
Senare studier visade att när det gäller fyra mätningar bör en liknande effekt finnas, för vilken ett antal fundamentalt nya egenskaper förutses, till exempel en icke-linjär hallström. Under en lång tid förblev detta en teoretisk modell utan möjlighet till verifiering i experimentet. Emellertid, i 2013, fysiker räknat ut att den fyrdimensionella Hall-effekten kan kännas i ett speciellt tvådimensionellt system som kallas topologiska laddningspumpar. Denna idé har först förverkligats i ett speciellt tvådimensionellt optiskt supergitter. I den riktades strålar med olika våglängder längs en riktning i något olika vinklar, och längs den andra ändrades formen på den optiska potentialen dynamiskt genom att förskjuta våglängden för en ytterligare laser.
Som ett resultat rör sig atomer i en sådan fälla huvudsakligen längs en riktning med en alternerande potential och kvantmässigt - detta motsvarar den endimensionella modellen för den tvådimensionella Hall-effekten. Men samtidigt upptäckte fysiker en gradvis förskjutning i tvärriktningen, även om potentialen längs den förblev konstant under hela experimentet. Denna rörelse motsvarar en icke-linjär 4D Hall-effekt. Exakta mätningar bekräftade kvantiteten hos atomernas rörelse i denna riktning, vilket visar kvantiteten hos det första demonstrerade fyrdimensionella fenomenet.
