Wetenschappers hebben aangetoond dat ze de invloed van fysische verschijnselen in vier dimensies kunnen meten op experimenten die in een driedimensionale wereld worden uitgevoerd. Het nieuwe werk bouwt voort op de ontdekkingen die zijn toegekend door de Nobelprijs voor natuurkunde voor 2016 en kan de basis worden voor fundamenteel nieuwe benaderingen om de kwantummechanica te begrijpen en om de theorie van kwantumzwaartekracht op te bouwen. Een artikel van het Europese team is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
De wereld om ons heen lijkt drie dimensies te hebben. Veel natuurkundige theorieën houden echter rekening met situaties met een groot aantal dimensies: in de algemene relativiteitstheorie zijn er vier (drie ruimtelijke en één temporele, gecombineerd tot één continuüm), en in supersnaartheorie worden slechts 10 onafhankelijke ruimtelijke richtingen beschouwd. Het nieuwe werk van natuurkundigen toont de mogelijkheid om de invloed van vierdimensionale processen op driedimensionale experimenten waar te nemen, die figuurlijk kan worden vergeleken met het werpen van een tweedimensionale schaduw door driedimensionale objecten.
Natuurkundigen bestuderen een systeem van ultrakoude atomen in een tweedimensionale optische val van laserstralen, die een superrooster creëert - de superpositie van twee periodieke potentialen met verschillende perioden. In dit ontwerp verschijnt een nieuw type kwantum Hall-effect, dat wordt voorspeld voor vierdimensionale systemen. Het gebruikelijke Hall-effect treedt op wanneer geladen deeltjes in een vlak bewegen in aanwezigheid van een magnetisch veld. Het veld werkt op de deeltjes in door de Lorentz-kracht, die ze afbuigt in de richting loodrecht op de beweging. Het resultaat is een transversaal (ten opzichte van de oorspronkelijke bewegingsrichting) potentiaalverschil, de Hall-spanning genoemd. In 1980 toonde Klaus von Klitzingdat bij zeer lage temperaturen en hoge magnetische velden deze spanning alleen bepaalde waarden kan aannemen - deze ontdekking wordt het integer quantum Hall-effect genoemd.
Later bleek dat de noodzakelijke voorwaarde voor het verschijnen van het quantum Hall-effect juist de tweedimensionaliteit van het systeem is, en dat de specifieke fysische eigenschappen niet zo belangrijk zijn. Dit komt door de topologie van de kwantummechanische golffunctie. Je kunt ook bewijzen dat een soortgelijk effect onmogelijk is in driedimensionale lichamen, aangezien de richting loodrecht op de snelheid niet uniek bepaald is.
Latere studies lieten zien dat bij vier metingen een vergelijkbaar effect zou moeten bestaan, waarvoor een aantal fundamenteel nieuwe eigenschappen werden voorspeld, bijvoorbeeld een niet-lineaire Hall-stroom. Dit is lange tijd een theoretisch model gebleven zonder de mogelijkheid tot verificatie in experiment. In 2013 kwamen natuurkundigen er echter achter dat het vierdimensionale Hall-effect voelbaar is in een speciaal tweedimensionaal systeem dat topologische ladingspompen wordt genoemd. Dit idee is nu pas gerealiseerd in een speciaal tweedimensionaal optisch superrooster. Daarin werden bundels van verschillende golflengten in de ene richting onder enigszins verschillende hoeken gericht, en langs de andere werd de vorm van de optische potentiaal dynamisch veranderd door de golflengte van een extra laser te verschuiven.
Als resultaat bewegen atomen in zo'n val voornamelijk in een richting met een wisselpotentiaal, en op een kwantummanier - dit komt overeen met het eendimensionale model van het tweedimensionale Hall-effect. Tegelijkertijd ontdekten natuurkundigen een geleidelijke verplaatsing in de dwarsrichting, hoewel het potentieel erlangs constant bleef tijdens het experiment. Deze beweging komt overeen met een niet-lineair 4D Hall-effect. Nauwkeurige metingen bevestigden de kwantum-aard van de beweging van atomen in deze richting, wat de kwantum-aard van het eerste gedemonstreerde vierdimensionale fenomeen aantoont.
