Naukowcy wykazali zdolność do pomiaru wpływu zjawisk fizycznych w czterech wymiarach na eksperymentach przeprowadzanych w trójwymiarowym świecie. Nowa praca opiera się na odkryciach nagrodzonych Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za 2016 rok i może stać się podstawą do zupełnie nowych podejść do zrozumienia mechaniki kwantowej, a także do budowania teorii grawitacji kwantowej. Artykuł europejskiego zespołu został opublikowany w czasopiśmie Nature.
Świat wokół nas wydaje się mieć trzy wymiary. Jednak wiele teorii fizycznych rozważa sytuacje o dużej liczbie wymiarów: w ogólnej teorii względności są ich cztery (trzy przestrzenne i jeden czasowy, połączone w jedno kontinuum), aw teorii superstrun rozważanych jest tylko 10 niezależnych kierunków przestrzennych. Nowa praca fizyków pokazuje możliwość obserwacji wpływu procesów czterowymiarowych na trójwymiarowe eksperymenty, które można w przenośni porównać do rzucania dwuwymiarowego cienia przez trójwymiarowe obiekty.
Fizycy badają układ ultrazimnych atomów w dwuwymiarowej optycznej pułapce wiązek laserowych, która tworzy superplatkę - superpozycję dwóch okresowych potencjałów o różnych okresach. W tym projekcie pojawia się nowy rodzaj kwantowego efektu Halla, który jest przewidywany dla systemów czterowymiarowych. Zwykły efekt Halla występuje, gdy naładowane cząstki poruszają się w płaszczyźnie w obecności pola magnetycznego. Pole działa na cząstki przez siłę Lorentza, która odchyla je w kierunku prostopadłym do ruchu. Wynikiem jest poprzeczna (w stosunku do pierwotnego kierunku ruchu) różnica potencjałów, zwana napięciem Halla. W 1980 roku pokazał się Klaus von Klitzingże w bardzo niskich temperaturach i przy wysokich polach magnetycznych napięcie to może przyjmować tylko określone wartości - odkrycie to nazywa się całkowitym kwantowym efektem Halla.
Później okazało się, że warunkiem koniecznym pojawienia się kwantowego efektu Halla jest właśnie dwuwymiarowość układu, a jego specyficzne właściwości fizyczne nie są tak istotne. Wynika to z topologii funkcji falowej mechaniki kwantowej. Możesz również udowodnić, że podobny efekt jest niemożliwy w ciałach trójwymiarowych, ponieważ kierunek prostopadły do prędkości nie jest jednoznacznie określony.
Późniejsze badania wykazały, że w przypadku czterech pomiarów powinien istnieć podobny efekt, dla którego przewidziano szereg zasadniczo nowych właściwości, na przykład nieliniowy prąd Halla. Przez długi czas był to model teoretyczny bez możliwości weryfikacji eksperymentalnej. Jednak w 2013 roku fizycy odkryli, że czterowymiarowy efekt Halla można odczuć w specjalnym dwuwymiarowym układzie zwanym topologicznymi pompami ładunkowymi. Pomysł ten dopiero teraz został zrealizowany w specjalnej dwuwymiarowej optycznej supersieci. W nim wiązki o różnych długościach fal kierowane były w jednym kierunku pod nieco różnymi kątami, a wzdłuż drugiego kształt potencjału optycznego był dynamicznie zmieniany poprzez przesuwanie długości fali dodatkowego lasera.
W efekcie atomy w takiej pułapce poruszają się głównie w kierunku o zmiennym potencjale i kwantowo - odpowiada to jednowymiarowemu modelowi dwuwymiarowego efektu Halla. Jednak w tym samym czasie fizycy odkryli stopniowe przemieszczanie się w kierunku poprzecznym, chociaż potencjał wzdłuż niego pozostawał stały przez cały eksperyment. Ten ruch odpowiada nieliniowemu efektowi Halla 4D. Dokładne pomiary potwierdziły kwantowy charakter ruchu atomów w tym kierunku, co pokazuje kwantowy charakter pierwszego zademonstrowanego czterowymiarowego zjawiska.