Forskere har vist evnen til å måle effekten av fysiske fenomener i fire dimensjoner på eksperimenter utført i en tredimensjonal verden. Det nye arbeidet bygger på oppdagelsene som ble tildelt av Nobelprisen i fysikk for 2016 og kan bli grunnlaget for fundamentalt nye tilnærminger til forståelse av kvantemekanikk, samt å bygge teorien om kvantegravitasjon. En artikkel av det europeiske teamet ble publisert i tidsskriftet Nature.
Verden rundt oss ser ut til å ha tre dimensjoner. Imidlertid vurderer mange fysiske teorier situasjoner med et stort antall dimensjoner: generelt er det fire av dem (tre romlige og en tidsmessig, kombinert i ett kontinuum), og i superstrengsteori blir bare 10 uavhengige romlige retninger vurdert. Det nye arbeidet til fysikere viser muligheten for å observere innflytelsen av firedimensjonale prosesser på tredimensjonale eksperimenter, som figurativt kan sammenlignes med støpingen av en todimensjonal skygge av tredimensjonale gjenstander.
Fysikere studerer et system med ultrakolde atomer i en todimensjonal optisk felle av laserstråler, noe som skaper et supergitter - superposisjonen til to periodiske potensialer med forskjellige perioder. I denne utformingen dukker det opp en ny type kvante Hall-effekt, som er spådd for firedimensjonale systemer. Den vanlige Hall-effekten oppstår når ladede partikler beveger seg i et plan i nærvær av et magnetfelt. Feltet virker på partiklene ved hjelp av Lorentz-kraften, som avbøyer dem i en retning vinkelrett på bevegelsen. Resultatet er en tverrgående (i forhold til den opprinnelige bevegelsesretningen) potensialforskjell, kalt Hall-spenningen. I 1980 viste Klaus von Klitzingat ved veldig lave temperaturer og høye magnetiske felt, kan denne spenningen bare ta på seg visse verdier - denne oppdagelsen kalles heltallkvante Hall-effekten.
Senere viste det seg at den nødvendige forutsetningen for utseendet til kvante Hall-effekten er nettopp den todimensjonaliteten til systemet, og dets spesifikke fysiske egenskaper er ikke så viktige. Dette skyldes topologien til den kvantemekaniske bølgefunksjonen. Det kan også bevises at en slik effekt er umulig i tredimensjonale legemer, siden retningen vinkelrett på hastigheten ikke er unikt bestemt.
Senere studier viste at i tilfelle av fire målinger, burde en lignende effekt eksistere, for hvilke det ble spådd en rekke fundamentalt nye egenskaper, for eksempel en ikke-lineær hallstrøm. I lang tid forble dette en teoretisk modell uten mulighet for eksperimentell verifisering. Imidlertid fant fysikere i 2013 ut at den firedimensjonale Hall-effekten kan kjennes i et spesielt todimensjonalt system kalt topologiske ladepumper. Denne ideen har først nå blitt realisert i et spesielt todimensjonalt optisk supergitter. I den ble bjelker med forskjellige bølgelengder rettet langs den ene retningen i litt forskjellige vinkler, og langs den andre ble formen på det optiske potensialet dynamisk endret ved å skifte bølgelengden til en ekstra laser.
Som et resultat beveger atomer i en slik felle seg overveiende i en retning med et alternerende potensial, og på kvantemåte - dette tilsvarer den endimensjonale modellen for den todimensjonale Hall-effekten. Imidlertid oppdaget fysikere samtidig en gradvis forskyvning i tverrretningen, selv om potensialet langs den forble konstant gjennom hele eksperimentet. Denne bevegelsen tilsvarer en ikke-lineær 4D Hall-effekt. Nøyaktige målinger bekreftet kvantenaturen til atomernes bevegelse i denne retningen, som viser kvantekarakteren til det første demonstrerte firedimensjonale fenomenet.
