Zinātnieki ir parādījuši spēju izmērīt fizisko parādību ietekmi četrās dimensijās uz eksperimentiem trīsdimensiju pasaulē. Jaunais darbs balstās uz atklājumiem, kurus 2016. gadā piešķīra Nobela prēmija fizikā, un tas var kļūt par pamatu fundamentāli jaunām pieejām kvantu mehānikas izpratnē, kā arī kvantu gravitācijas teorijas veidošanā. Eiropas komandas raksts tika publicēts žurnālā Nature.
Apkārtējai pasaulei, šķiet, ir trīs dimensijas. Tomēr daudzās fizikālajās teorijās tiek aplūkotas situācijas ar lielu dimensiju skaitu: vispārējā relativitātē tās ir četras (trīs telpiskas un viena laicīga, apvienotas vienā kontinuumā), un virknējumu teorijā tiek ņemti vērā tikai 10 neatkarīgi telpiskie virzieni. Jaunais fiziķu darbs parāda iespēju novērot četrdimensiju procesu ietekmi uz trīsdimensiju eksperimentiem, ko tēlaini var salīdzināt ar divdimensiju ēnas liešanu ar trīsdimensiju objektiem.
Fiziķu darbā tiek pētīta ultracoldu atomu sistēma divdimensiju optiskajā slazdā, kas izgatavota no lāzera stariem, kas rada superlattice - divu periodisku potenciālu ar dažādu periodu superpozīciju. Šajā dizainā parādās jauna veida kvantu Hall efekts, kas tiek prognozēts četrdimensiju sistēmām. Parastais Hall efekts rodas, kad uzlādētas daļiņas pārvietojas plaknē magnētiskā lauka klātbūtnē. Lauks uz daļiņām iedarbojas ar Lorenca spēku, kas tos novirza kustībai perpendikulāri. Rezultāts ir šķērsvirziena (attiecībā pret sākotnējo kustības virzienu) potenciālo starpību, ko sauc par Hall spriegumu. 1980. gadā Klauss fon Klitzings parādījaka ļoti zemā temperatūrā un augstos magnētiskajos laukos šis spriegums var iegūt tikai noteiktas vērtības - šo atklājumu sauc par veselā skaitļa kvantu Hall efektu.
Vēlāk izrādījās, ka kvantu Hall efekta parādīšanās nepieciešamais nosacījums ir tieši sistēmas divdimensiju un tās īpašās fizikālās īpašības nav tik svarīgas. Tas ir saistīts ar kvantu mehānisko viļņu funkcijas topoloģiju. Jūs varat arī pierādīt, ka līdzīgs efekts nav iespējams trīsdimensiju ķermeņos, jo ātrumam perpendikulārais virziens nav viennozīmīgi noteikts.
Turpmākie pētījumi parādīja, ka četru mērījumu gadījumā vajadzētu būt līdzīgam efektam, kam tika paredzētas vairākas principiāli jaunas īpašības, piemēram, nelineārā Hall strāva. Ilgu laiku tas palika teorētisks modelis bez eksperimentālas verifikācijas iespējas. Tomēr 2013. gadā fiziķi izdomāja, ka četrdimensiju Hall efektu var sajust īpašā divdimensiju sistēmā, ko sauc par topoloģiskajiem lādiņu sūkņiem. Šī ideja tikai tagad ir realizēta īpašā divdimensiju optiskajā superlotā. Tajā dažāda viļņa garuma stari tika virzīti pa vienu virzienu nedaudz atšķirīgos leņķos, un pa otru optiskā potenciāla forma tika dinamiski mainīta, pārvietojot papildu lāzera viļņa garumu.
Rezultātā atomi šādā slazdā pārsvarā pārvietojas pa virzienu ar mainīgu potenciālu un kvantu veidā, kas atbilst divdimensiju Hall efekta viendimensiju modelim. Tomēr tajā pašā laikā fiziķi atklāja pakāpenisku pārvietošanos šķērsvirzienā, lai gan gar to potenciāls palika nemainīgs visā eksperimentā. Šī kustība atbilst nelineārajam 4D Hall efektam. Precīzi mērījumi apstiprināja atomu kustības kvantu raksturu šajā virzienā, kas parāda pirmās demonstrētās četrdimensiju parādības kvantu raksturu.