Oamenii de știință au demonstrat capacitatea de a măsura impactul fenomenelor fizice în patru dimensiuni asupra experimentelor efectuate într-o lume tridimensională. Noua lucrare se bazează pe descoperirile acordate de Premiul Nobel pentru fizică pentru 2016 și poate deveni baza unor abordări fundamental noi de înțelegere a mecanicii cuantice, precum și construirea teoriei gravitației cuantice. Un articol al echipei europene a fost publicat în revista Nature.
Lumea din jurul nostru pare să aibă trei dimensiuni. Cu toate acestea, multe teorii fizice consideră situații cu un număr mare de dimensiuni: în relativitatea generală există patru dintre ele (trei spațiale și una temporală, combinate într-un singur continuum), iar în teoria superstringurilor sunt luate în considerare doar 10 direcții spațiale independente. Noua lucrare a fizicienilor arată posibilitatea observării influenței proceselor cu patru dimensiuni asupra experimentelor tridimensionale, care pot fi comparate figurativ cu aruncarea unei umbre bidimensionale de către obiecte tridimensionale.
Fizicienii studiază un sistem de atomi ultracold într-o capcană optică bidimensională a razelor laser, care creează o superrețea - suprapunerea a două potențiale periodice cu perioade diferite. În acest design, apare un nou tip de efect cuantic Hall, care este prevăzut pentru sistemele cu patru dimensiuni. Efectul Hall obișnuit apare atunci când particulele încărcate se mișcă într-un plan în prezența unui câmp magnetic. Câmpul acționează asupra particulelor prin forța Lorentz, care le deviază în direcția perpendiculară pe mișcare. Ca rezultat, apare o diferență de potențial transversală (în raport cu direcția inițială de mișcare), numită tensiune Hall. În 1980, Klaus von Klitzing a arătatcă la temperaturi foarte scăzute și câmpuri magnetice ridicate, această tensiune poate lua doar anumite valori - această descoperire se numește efect Hall cuantic întreg.
Ulterior s-a dovedit că condiția necesară pentru apariția efectului Hall cuantic este tocmai bidimensionalitatea sistemului, iar proprietățile sale fizice specifice nu sunt atât de importante. Acest lucru se datorează topologiei funcției de undă mecanică cuantică. De asemenea, puteți demonstra că un efect similar este imposibil în corpurile tridimensionale, deoarece direcția perpendiculară pe viteză nu este determinată în mod unic.
Studiile ulterioare au arătat că, în cazul a patru măsurători, ar trebui să existe un efect similar, pentru care s-au prezis o serie de proprietăți fundamental noi, de exemplu, un curent Hall neliniar. Pentru o lungă perioadă de timp, acesta a rămas un model teoretic fără posibilitatea verificării în experiment. Cu toate acestea, în 2013, fizicienii și-au dat seama că efectul Hall în patru dimensiuni poate fi resimțit într-un sistem bidimensional special numit pompe de încărcare topologice. Această idee a fost realizată abia acum într-o super-rețea optică bidimensională specială. În el, fasciculele cu lungimi de undă diferite au fost direcționate de-a lungul unei direcții la unghiuri ușor diferite, iar de-a lungul celeilalte, forma potențialului optic a fost modificată dinamic prin schimbarea lungimii de undă a unui laser suplimentar.
Ca rezultat, atomii dintr-o astfel de capcană se mișcă predominant de-a lungul unei direcții cu un potențial alternativ și într-o manieră cuantică - aceasta corespunde modelului unidimensional al efectului Hall bidimensional. Cu toate acestea, în același timp, fizicienii au descoperit o deplasare treptată în direcția transversală, deși potențialul de-a lungul acestuia a rămas constant pe tot parcursul experimentului. Această mișcare corespunde unui efect neliniar 4D Hall. Măsurătorile precise au confirmat natura cuantică a mișcării atomilor în această direcție, ceea ce arată natura cuantică a primului fenomen cu patru dimensiuni demonstrat.
