Vedci preukázali schopnosť merať vplyv fyzikálnych javov v štyroch dimenziách na experimenty v trojrozmernom svete. Nové dielo stavia na objavoch ocenených Nobelovou cenou za fyziku za rok 2016 a môže sa stať základom pre zásadne nové prístupy k porozumeniu kvantovej mechaniky, ako aj k budovaniu teórie kvantovej gravitácie. Článok európskeho tímu bol publikovaný v časopise Nature.
Zdá sa, že svet okolo nás má tri rozmery. Mnoho fyzikálnych teórií však uvažuje o situáciách s veľkým počtom dimenzií: vo všeobecnej teórii relativity existujú štyri (tri priestorové a jedna časová, spojené do jedného kontinua) a v teórii superstrún sa uvažuje iba o 10 nezávislých priestorových smeroch. Nová práca fyzikov ukazuje možnosť pozorovania vplyvu štvorrozmerných procesov na trojrozmerné experimenty, ktoré sa dajú obrazne porovnať s vrhaním dvojrozmerného tieňa trojrozmernými objektmi.
Fyzici študujú systém ultrachladených atómov v dvojrozmernej optickej pasci laserových lúčov, ktorá vytvára superlattice - superpozíciu dvoch periodických potenciálov s rôznymi periódami. V tomto dizajne sa objavuje nový typ kvantového Hallovho javu, ktorý sa predpovedá pre štvorrozmerné systémy. Obvyklý Hallov jav nastáva, keď sa nabité častice pohybujú v rovine za prítomnosti magnetického poľa. Pole pôsobí na častice Lorentzovou silou, ktorá ich vychyľuje v smere kolmom na pohyb. Výsledkom je priečny (vzhľadom na pôvodný smer pohybu) potenciálny rozdiel, ktorý sa nazýva Hallove napätie. V roku 1980 sa ukázal Klaus von Klitzingže pri veľmi nízkych teplotách a vysokých magnetických poliach môže toto napätie nadobúdať iba určité hodnoty - tento objav sa nazýva celočíselný kvantový Hallov jav.
Neskôr sa ukázalo, že nevyhnutnou podmienkou pre vznik kvantového Hallovho javu je práve dvojrozmernosť systému a jeho špecifické fyzikálne vlastnosti nie sú také dôležité. Je to spôsobené topológiou funkcie kvantovej mechanickej vlny. Môžete tiež dokázať, že podobný efekt je nemožný aj v trojrozmerných telesách, pretože smer kolmý na rýchlosť nie je jednoznačne určený.
Následné štúdie ukázali, že v prípade štyroch meraní by mal existovať podobný efekt, pre ktorý sa predpovedalo množstvo zásadne nových vlastností, napríklad nelineárny Hallov prúd. Toto dlho zostávalo teoretickým modelom bez možnosti overenia v experimente. V roku 2013 však fyzici prišli na to, že štvorrozmerný Hallov jav je možné pocítiť v špeciálnom dvojrozmernom systéme, ktorý sa nazýva topologické nábojové pumpy. Táto myšlienka sa až teraz realizovala v špeciálnej dvojrozmernej optickej superlattice. V ňom boli lúče rôznych vlnových dĺžok smerované jedným smerom v mierne odlišných uhloch a pozdĺž druhého sa tvar optického potenciálu dynamicky menil posúvaním vlnovej dĺžky dodatočného lasera.
Výsledkom je, že atómy v takejto pasci sa pohybujú prevažne v smere so striedavým potenciálom a kvantovým spôsobom, ktorý zodpovedá jednorozmernému modelu dvojrozmerného Hallovho javu. Fyzici však zároveň objavili postupné posunutie v priečnom smere, hoci jeho potenciál zostal počas celého experimentu konštantný. Tento pohyb zodpovedá nelineárnemu 4D Hallovmu efektu. Presné merania potvrdili kvantovú povahu pohybu atómov v tomto smere, čo ukazuje kvantovú povahu prvého demonštrovaného štvorrozmerného javu.