Teadlased on demonstreerinud võimet mõõta füüsiliste nähtuste mõju neljas mõõtmes katsetele kolmemõõtmelises maailmas. Uus töö põhineb 2016. aasta Nobeli füüsikaauhinna välja antud avastustel ja sellest võib saada alus põhimõtteliselt uutele lähenemistele kvantmehaanika mõistmisel ning ka kvantgravitatsiooni teooria ehitamisele. Euroopa meeskonna artikkel ilmus ajakirjas Nature.
Tundub, et ümbritseval maailmas on kolm mõõdet. Kuid paljud füüsikalised teooriad käsitlevad olukordi, kus on palju dimensioone: üldrelatiivsusteoorias on neid neli (kolm ruumilist ja üks ajaline, ühendatud üheks kontiinumiks) ning superstringi teoorias arvestatakse ainult 10 iseseisva ruumilise suunaga. Füüsikute uus töö näitab võimalust jälgida neljamõõtmeliste protsesside mõju kolmemõõtmelistele katsetele, mida saab piltlikult võrrelda kahemõõtmelise varju valamisega kolmemõõtmeliste objektide poolt.
Füüsikud uurivad ultrakülma aatomi süsteemi laserkiirte kahemõõtmelises optilises lõksus, mis loob supervõre - kahe erineva perioodiga perioodilise potentsiaali superpositsiooni. Selles kujunduses ilmub uut tüüpi kvant-Halli efekt, mida ennustatakse neljamõõtmeliste süsteemide puhul. Tavaline Halli efekt tekib siis, kui laetud osakesed liiguvad magnetvälja juuresolekul tasapinnas. Väli toimib osakestele Lorentzi jõu abil, mis suunab need liikumisega risti asetsevas suunas. Selle tulemusel ilmneb põiksuunaline (algse liikumissuuna suhtes) potentsiaalide erinevus, mida nimetatakse Halli pingeks. 1980. aastal näitas Klaus von Klitzinget väga madalatel temperatuuridel ja kõrgete magnetväljade korral saab see pinge omandada ainult teatud väärtused - seda avastust nimetatakse täisarvu kvant-Halli efektiks.
Hiljem selgus, et kvant-Halli efekti ilmnemise vajalik tingimus on just süsteemi kahemõõtmelisus ja selle spetsiifilised füüsikalised omadused pole nii olulised. See on tingitud kvantmehaanilise lainefunktsiooni topoloogiast. Samuti saate tõestada, et sarnane efekt on kolmemõõtmelistes kehades võimatu, kuna kiirusega risti olev suund pole üheselt määratud.
Järgnevad uuringud näitasid, et nelja mõõtmise korral peaks eksisteerima sarnane efekt, mille puhul ennustati mitmeid põhimõtteliselt uusi omadusi, näiteks mittelineaarne Halli vool. Pikka aega jäi see teoreetiliseks mudeliks ilma eksperimentaalse kontrollimise võimaluseta. Kuid 2013. aastal mõistsid füüsikud, et neljamõõtmelist Halli efekti on tunda spetsiaalses kahemõõtmelises süsteemis, mida nimetatakse topoloogilisteks laengupumpadeks. See idee on alles nüüd teostatud spetsiaalses kahemõõtmelises optilises ülivõres. Selles suunati erineva lainepikkusega kiired mööda ühte suunda veidi erineva nurga all ja mööda teist muudeti optilise potentsiaali kuju dünaamiliselt täiendava laseri lainepikkuse nihutamisega.
Selle tulemusena liiguvad sellises lõksus olevad aatomid valdavalt vahelduva potentsiaaliga suunda ja kvantmeetodil, mis vastab kahemõõtmelise Halli efekti ühemõõtmelisele mudelile. Kuid samal ajal avastasid füüsikud järkjärgulise nihke põikisuunas, ehkki mööda seda jäi potentsiaal kogu katse jooksul konstantseks. See liikumine vastab mittelineaarsele 4D Halli efektile. Täpsed mõõtmised kinnitasid aatomite selles suunas liikumise kvantilist olemust, mis näitab esimese demonstreeritud neljamõõtmelise nähtuse kvantilist olemust.
