Vědci prokázali schopnost měřit dopad fyzikálních jevů ve čtyřech rozměrech na experimenty v trojrozměrném světě. Nová práce staví na objevech, kterým byla udělena Nobelova cena za fyziku za rok 2016, a může tvořit základ zásadně nových přístupů k porozumění kvantové mechanice i budování teorie kvantové gravitace. Článek evropského týmu byl publikován v časopise Nature.
Svět kolem nás vypadá, že má tři dimenze. Mnoho fyzikálních teorií však uvažuje o situacích s velkým počtem dimenzí: v obecné relativitě existují čtyři z nich (tři prostorové a jedno časové, kombinované do jednoho kontinua) a v teorii superstrun je uvažováno pouze 10 nezávislých prostorových směrů. Nová práce fyziků ukazuje možnost pozorování vlivu čtyřrozměrných procesů na trojrozměrné experimenty, které lze obrazně porovnat s vržením dvourozměrného stínu trojrozměrnými objekty.
Fyzici studují systém ultrachladných atomů v dvojrozměrné optické pasti laserových paprsků, která vytváří superlattice - superpozici dvou periodických potenciálů s různými periodami. V tomto návrhu se objevuje nový typ kvantového Hallova jevu, který se předpovídá pro čtyřrozměrné systémy. Obvyklý Hallův jev nastává, když se nabité částice pohybují v rovině v přítomnosti magnetického pole. Pole působí na částice Lorentzovou silou, která je vychýlí ve směru kolmém na pohyb. Ve výsledku se objeví příčný (vzhledem k původnímu směru pohybu) potenciální rozdíl, který se nazývá Hallovo napětí. V roce 1980 se ukázal Klaus von Klitzingže při velmi nízkých teplotách a vysokých magnetických polích může toto napětí nabývat pouze určitých hodnot - tomuto objevu se říká celočíselný kvantový Hallův jev.
Později se ukázalo, že nezbytnou podmínkou pro vzhled kvantového Hallova jevu je právě dvourozměrnost systému a jeho specifické fyzikální vlastnosti nejsou tak důležité. To je způsobeno topologií funkce kvantové mechanické vlny. Můžete také dokázat, že podobný efekt je v trojrozměrných tělesech nemožný, protože směr kolmý na rychlost není jednoznačně určen.
Následující studie ukázaly, že v případě čtyř měření by měl existovat podobný účinek, pro který byla předpovězena řada zásadně nových vlastností, například nelineární Hallov proud. Po dlouhou dobu to zůstalo teoretickým modelem bez možnosti ověření experimentem. V roce 2013 však fyzici zjistili, že čtyřrozměrný Hallův efekt lze pocítit ve speciálním dvourozměrném systému zvaném topologická nábojová čerpadla. Tato myšlenka byla teprve nyní realizována ve speciální dvourozměrné optické superlattice. V něm byly paprsky různých vlnových délek směrovány jedním směrem v mírně odlišných úhlech a podél druhého se tvar optického potenciálu dynamicky měnil posunem vlnové délky dalšího laseru.
Ve výsledku se atomy v takové pasti pohybují převážně ve směru se střídavým potenciálem, a to kvantovým způsobem - to odpovídá jednorozměrnému modelu dvourozměrného Hallova jevu. Zároveň však fyzici objevili postupné posunutí v příčném směru, i když podél něj zůstával potenciál konstantní po celý experiment. Tento pohyb odpovídá nelineárnímu 4D Hallovu efektu. Přesná měření potvrdila kvantovou povahu pohybu atomů v tomto směru, což ukazuje kvantovou povahu prvního předvedeného čtyřrozměrného jevu.