Учените са демонстрирали способността да измерват въздействието на физическите явления в четири измерения върху експерименти, проведени в триизмерен свят. Новата работа се основава на откритията, присъдени от Нобеловата награда за физика за 2016 г. и може да се превърне в основа за принципно нови подходи за разбиране на квантовата механика, както и за изграждане на теорията на квантовата гравитация. Статия от европейския екип е публикувана в списание Nature.
Светът около нас изглежда има три измерения. Много физически теории обаче разглеждат ситуации с голям брой измерения: в общата теория на относителността има четири от тях (три пространствени и една времева, обединени в един континуум), а в теорията на суперструните се разглеждат само 10 пространствени независими посоки. Новата работа на физиците показва възможността да се наблюдава влиянието на четиримерните процеси върху триизмерни експерименти, които могат да бъдат фигурално сравнени с хвърлянето на двумерна сянка от триизмерни обекти.
Физиците изучават система от ултра студени атоми в двуизмерен оптичен капан, направен от лазерни лъчи, което създава суперрешетка - суперпозицията на два периодични потенциала с различни периоди. В този дизайн се появява нов тип квантов ефект на Хол, който се прогнозира за четиримерни системи. Обичайният ефект на Хол възниква, когато заредените частици се движат в равнина в присъствието на магнитно поле. Полето действа върху частиците от силата на Лоренц, която ги отклонява в посоката, перпендикулярна на движението. В резултат на това се появява напречна (спрямо първоначалната посока на движение) потенциална разлика, наречена напрежение на Хол. През 1980 г. Клаус фон Клицинг показаче при много ниски температури и високи магнитни полета това напрежение може да приеме само определени стойности - това откритие се нарича цялостен квантов ефект на Хол.
По-късно се оказа, че необходимото условие за появата на квантовия ефект на Хол е именно двумерността на системата, а нейните специфични физични свойства не са толкова важни. Това се дължи на топологията на квантовомеханичната вълнова функция. Можете също така да докажете, че подобен ефект е невъзможен в триизмерните тела, тъй като посоката, перпендикулярна на скоростта, не е еднозначно определена.
Последващи проучвания показват, че в случай на четири измервания трябва да съществува подобен ефект, за който са предвидени редица принципно нови свойства, например нелинеен ток на Хол. Дълго време това остана теоретичен модел без възможност за експериментална проверка. През 2013 г. обаче физиците разбраха, че четиримерният ефект на Хол може да се усети в специална двумерна система, наречена топологични помпени заряди. Тази идея едва сега е реализирана в специална двумерна оптична суперрешетка. В него лъчи с различни дължини на вълната бяха насочени по едната посока под малко различни ъгли, а по другата, формата на оптичния потенциал беше динамично променена чрез изместване на дължината на вълната на допълнителен лазер.
В резултат на това атомите в такъв капан се движат предимно по посока с променлив потенциал и по квантов начин - това съответства на едномерния модел на двумерния ефект на Хол. В същото време обаче физиците откриват постепенно изместване в напречна посока, въпреки че потенциалът по него остава постоянен през целия експеримент. Това движение съответства на нелинеен 4D ефект на Хол. Точните измервания потвърдиха квантовата природа на движението на атомите в тази посока, което показва квантовата природа на първото демонстрирано четиримерно явление.