Firedimensionel fysik i to dimensioner

For første gang, fysikere har bygget et to-dimensionelt eksperimentelt system, der giver dem mulighed for at studere de fysiske egenskaber af materialer, der blev teoretiseret til kun at eksistere i firedimensionelt rum. Et internationalt team af forskere fra Penn State, ETH Zürich i Schweiz, University of Pittsburgh, og Holon Institute of Technology i Israel har vist, at lyspartiklernes opførsel kan matche forudsigelser om den firedimensionelle version af "kvante Hall-effekten" - et fænomen, der har været roden til tre Nobelpriser i fysik - i en todimensionel række af "bølgeledere."

Et papir, der beskriver forskningen, udkommer 4. januar, 2018 i bladet Natur sammen med et papir fra en separat gruppe fra Tyskland, der viser, at en lignende mekanisme kan bruges til at få en gas af ultrakolde atomer til også at udvise firedimensionel kvante Hall-fysik.

"Da det blev teoretiseret, at kvante Hall-effekten kunne observeres i firedimensionelt rum, sagde Mikael Rechtsman, assisterende professor i fysik og forfatter til papiret, "det blev anset for at være af rent teoretisk interesse, fordi den virkelige verden kun består af tre rumlige dimensioner; det var mere eller mindre et kuriosum. Men, vi har nu vist, at firedimensionel kvante-Hall-fysik kan efterlignes ved hjælp af fotoner - lyspartikler - der strømmer gennem et indviklet struktureret stykke glas - et bølgelederarray."

Når elektrisk ladning er klemt mellem to overflader, ladningen opfører sig effektivt som et todimensionelt materiale. Når dette materiale køles ned til næsten det absolutte nulpunkt og udsættes for et stærkt magnetfelt, mængden, som den kan lede, bliver "kvantiseret" - fikseret til en fundamental naturkonstant og kan ikke ændres. "Kvantisering er slående, fordi selvom materialet er 'rodet' - dvs. den har mange defekter - denne 'Hall-konduktans' forbliver ekstremt stabil, " sagde Rechtsman. "Denne robusthed af elektronstrøm - kvante Hall-effekten - er universel og kan observeres i mange forskellige materialer under meget forskellige forhold."

Denne kvantisering af konduktans, først beskrevet i to dimensioner, ikke kan observeres i et almindeligt tredimensionelt materiale, men i 2000 det blev teoretisk vist, at en lignende kvantisering kunne observeres i fire rumlige dimensioner. For at modellere dette firedimensionelle rum, forskerne byggede bølgelederarrays. Hver bølgeleder er i det væsentlige et rør, som opfører sig som en ledning til lys. Dette "rør" er indskrevet gennem glas af høj kvalitet ved hjælp af en kraftig laser.

Mange af disse bølgeledere er indskrevet med tæt afstand gennem et enkelt stykke glas for at danne arrayet. Forskerne brugte en nyligt udviklet teknik til at indkode "syntetiske dimensioner" i positionerne af bølgelederne. Med andre ord, de komplekse mønstre af bølgelederpositionerne fungerer som en manifestation af de højere dimensionelle koordinater. Ved at indkode to ekstra syntetiske dimensioner i den komplekse geometriske struktur af bølgelederne, forskerne var i stand til at modellere det todimensionelle system til at have i alt fire rumlige dimensioner. Forskerne målte derefter, hvordan lyset strømmede gennem enheden og fandt ud af, at den opførte sig præcist i henhold til forudsigelserne om den firedimensionelle kvante Hall-effekt.

"Vores observationer, taget sammen med observationerne ved hjælp af ultrakolde atomer, give den første demonstration af højere-dimensional kvante Hall-fysik, " sagde Rechtsman. "Men hvordan kan forståelse og sondering af højere dimensionel fysik have en vis relevans for videnskab og teknologi i vores tredimensionelle verden? Der er en række eksempler, hvor dette er tilfældet. For eksempel, 'kvasikrystaller' - metalliske legeringer, der er krystallinske, men som ikke har gentagne enheder og bruges til at belægge nogle non-stick pander - har vist sig at have 'skjulte dimensioner:' deres strukturer kan forstås som projektioner fra højere dimensionelle rum til det virkelige , tredimensionel verden. Desuden, det er muligt, at højere-dimensionel fysik kunne bruges som et designprincip for nye fotoniske enheder."