För första gången, fysiker har byggt ett tvådimensionellt experimentellt system som gör att de kan studera de fysikaliska egenskaperna hos material som teoretiserades existera endast i fyrdimensionellt utrymme. Ett internationellt team av forskare från Penn State, ETH Zürich i Schweiz, University of Pittsburgh, och Holon Institute of Technology i Israel har visat att ljuspartiklarnas beteende kan fås att matcha förutsägelser om den fyrdimensionella versionen av "quantum Hall-effekten"-ett fenomen som har varit roten till tre nobelpris i fysik-i en tvådimensionell uppsättning "vågledare".

Ett papper som beskriver forskningen visas 4 januari, 2018 i tidningen Natur tillsammans med ett papper från en separat grupp från Tyskland som visar att en liknande mekanism kan användas för att göra en gas av ultrakylda atomer uppvisar också fyrdimensionell kvant Hall-fysik.

"När det teoretiserades att kvante Hall-effekten kunde observeras i fyrdimensionellt utrymme, "sa Mikael Rechtsman, biträdande professor i fysik och författare till tidningen, "den ansågs vara av rent teoretiskt intresse eftersom den verkliga världen bara består av tre rumsliga dimensioner; det var mer eller mindre en nyfikenhet. Men, vi har nu visat att fyrdimensionell kvant Hall-fysik kan emuleras med hjälp av fotoner-ljuspartiklar-som flödar genom en invecklat strukturerad glasbit-en vågledaruppsättning. "

När elektrisk laddning är inklämd mellan två ytor, laddningen beter sig effektivt som ett tvådimensionellt material. När materialet kyls ner till nära absolut noll temperatur och utsätts för ett starkt magnetfält, mängden som den kan leda till blir "kvantiserad" - fixerad till en grundläggande naturkonstant och kan inte förändras. "Kvantisering är slående eftersom även om materialet är" rörigt " - det vill säga den har många defekter - denna "hallkonduktans" förblir extremt stabil, "sa Rechtsman." Denna robusthet i elektronflödet - kvant Hall -effekten - är universell och kan observeras i många olika material under mycket olika förhållanden. "

Denna kvantisering av konduktans, beskrivs först i två dimensioner, kan inte observeras i ett vanligt tredimensionellt material, men år 2000, det visades teoretiskt att en liknande kvantisering kunde observeras i fyra rumsliga dimensioner. För att modellera detta fyrdimensionella utrymme, forskarna byggde vågledare. Varje vågledare är i huvudsak ett rör, som beter sig som en tråd för ljus. Detta "rör" är inskrivet genom högkvalitativt glas med en kraftfull laser.

Många av dessa vågledare är inskrivna nära åtskilda genom ett enda glasstycke för att bilda matrisen. Forskarna använde en nyligen utvecklad teknik för att koda "syntetiska dimensioner" till vågledarnas positioner. Med andra ord, vågledarpositionernas komplexa mönster fungerar som en manifestation av de högre dimensionella koordinaterna. Genom att koda två extra syntetiska dimensioner i vågledarnas komplexa geometriska struktur, forskarna kunde modellera det tvådimensionella systemet med totalt fyra rumsliga dimensioner. Forskarna mätte sedan hur ljus flödade genom enheten och fann att det uppförde sig exakt enligt förutsägelserna av den fyrdimensionella kvante Hall-effekten.

"Våra observationer, tillsammans med observationerna med ultrakylda atomer, ge den första demonstrationen av högre dimensionell kvant Hall-fysik, "sade Rechtsman." Men hur kan förståelse och undersökning av högre dimensionell fysik ha en viss relevans för vetenskap och teknik i vår tredimensionella värld? Det finns ett antal exempel där så är fallet. Till exempel, 'kvasikristaller'-metalllegeringar som är kristallina men som inte har några upprepande enheter och som används för att belägga några non-stick-pannor-har visat sig ha 'dolda dimensioner':deras strukturer kan förstås som utskjutningar från högre dimensionellt utrymme in i det verkliga , tredimensionell värld. Vidare, det är möjligt att högre dimensionell fysik kan användas som en designprincip för nya fotoniska enheter. "