För första gången har fysiker 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 göras för att matcha förutsägelser om den fyrdimensionella versionen av ”Quantum Hall effect”-ett fenomen som har varit roten till tre nobelpris i fysik-i en tvådimensionell uppsättning ”vågledare”.
Ett papper som beskriver forskningen visas den 4 januari i tidskriften Nature, tillsammans med ett papper från en separat grupp från Tyskland som visar att en liknande mekanism kan användas för att få en gas av ultrakylda atomer att uppvisa också fyrdimensionell quantum 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, ’ansågs det vara av rent teoretiskt intresse eftersom den verkliga världen består av endast tre rumsliga dimensioner; det var mer eller mindre en nyfikenhet. Men vi har nu visat att fyrdimensionell kvant Hall-fysik kan efterliknas med hjälp av fotoner-ljuspartiklar-som flödar genom en invecklad strukturerad glasbit-en vågledaruppsättning. ”
När elektrisk laddning är inklämd mellan två ytor beter sig laddningen effektivt som ett tvådimensionellt material. När det materialet kyls ner till nära absolut noll temperatur och utsätts för ett starkt magnetfält, blir mängden som det kan leda ’kvantiserad’-fixerad till en grundläggande naturkonstant och kan inte förändras. ’Kvantiseringen är slående eftersom även om materialet är’ rörigt ’ – det vill säga det har många defekter – förblir denna’ Hall -konduktans ’extremt stabil’, säger Rechtsman. ’Denna robusthet hos elektronflödet – quantum Hall -effekten – är universell och kan observeras i många olika material under mycket olika förhållanden.’
Denna kvantisering av konduktans, som först beskrivs i två dimensioner, kan inte observeras i ett vanligt tredimensionellt material, men år 2000 visades det teoretiskt att en liknande kvantisering kunde observeras i fyra rumsliga dimensioner. För att modellera detta fyrdimensionella utrymme byggde forskarna vågledaruppsättningar. 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 fungerar de komplexa mönstren för vågledarpositionerna som en manifestation av de högre dimensionella koordinaterna. Genom att koda två extra syntetiska dimensioner i vågledarnas komplexa geometriska struktur kunde forskarna 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, ger den första demonstrationen av högre dimensionell kvant Hall Hall-fysik’, säger 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 har 'kvasikristaller'-metalllegeringar som är kristallina men som inte har några upprepande enheter och används för att belägga några non-stick-pannor-visat sig ha 'dolda dimensioner': Deras strukturer kan förstås som utskott från högre dimensionellt utrymme in i den verkliga, tredimensionella världen. Dessutom är det möjligt att högre dimensionell fysik kan användas som designprincip för nya fotoniska enheter. ”
Förutom Rechtsman inkluderar forskargruppen Jonathan Guglielmon i Penn State; Oded Zilberberg vid ETH Zürich; Sheng Huang, Mohan Wang och Kevin Chen vid University of Pittsburgh; och Yaacov E. Kraus vid Holon Institute of Technology. Forskningen stöddes av US National Science Foundation, Charles E. Kaufman Foundation, Alfred P. Sloan Foundation och Swiss National Science Foundation.