Para ilmuwan telah mendemonstrasikan kemampuan untuk mengukur dampak fenomena fisik dalam empat dimensi pada eksperimen di dunia tiga dimensi. Karya baru ini dibangun di atas penemuan yang dianugerahi Hadiah Nobel Fisika tahun 2016 dan dapat membentuk dasar pendekatan baru yang fundamental untuk memahami mekanika kuantum, serta membangun teori gravitasi kuantum. Sebuah artikel oleh tim Eropa diterbitkan di jurnal Nature.
Dunia di sekitar kita tampaknya memiliki tiga dimensi. Namun, banyak teori fisika mempertimbangkan situasi dengan sejumlah besar dimensi: dalam relativitas umum ada empat di antaranya (tiga spasial dan satu temporal, digabungkan menjadi satu kontinum), dan dalam teori superstring, hanya 10 arah independen spasial yang dipertimbangkan. Karya baru fisikawan menunjukkan kemungkinan mengamati pengaruh proses empat dimensi pada eksperimen tiga dimensi, yang secara kiasan dapat dibandingkan dengan pengecoran bayangan dua dimensi oleh objek tiga dimensi.
Fisikawan mempelajari sistem atom sangat dingin dalam perangkap optik dua dimensi sinar laser, yang menciptakan superlattice - superposisi dari dua potensial periodik dengan periode berbeda. Dalam desain ini, jenis baru efek Hall kuantum muncul, yang diprediksi untuk sistem empat dimensi. Efek Hall biasa terjadi ketika partikel bermuatan bergerak dalam bidang di hadapan medan magnet. Medan bekerja pada partikel dengan gaya Lorentz, yang membelokkannya ke arah tegak lurus terhadap gerakan. Hasilnya adalah beda potensial transversal (relatif terhadap arah gerakan asli), yang disebut tegangan Hall. Pada tahun 1980, Klaus von Klitzing menunjukkanbahwa pada suhu yang sangat rendah dan medan magnet yang tinggi, tegangan ini hanya dapat mengambil nilai tertentu - penemuan ini disebut efek Hall quantum integer.
Belakangan ternyata kondisi yang diperlukan untuk kemunculan efek Hall kuantum justru adalah dua dimensi sistem, dan sifat fisik spesifiknya tidak begitu penting. Ini karena topologi fungsi gelombang mekanik kuantum. Anda juga dapat membuktikan bahwa efek serupa tidak mungkin terjadi pada benda tiga dimensi, karena arah tegak lurus terhadap kecepatan tidak ditentukan secara unik.
Studi selanjutnya menunjukkan bahwa dalam kasus empat pengukuran, efek serupa harus ada, di mana sejumlah properti baru secara fundamental diperkirakan, misalnya, arus Hall nonlinier. Untuk waktu yang lama, ini tetap menjadi model teoretis tanpa kemungkinan verifikasi dalam eksperimen. Namun, pada tahun 2013, fisikawan menemukan bahwa efek Hall empat dimensi dapat dirasakan dalam sistem dua dimensi khusus yang disebut pompa muatan topologi. Ide ini baru sekarang direalisasikan dalam superlattice optik dua dimensi khusus. Di dalamnya, berkas sinar dengan panjang gelombang berbeda diarahkan sepanjang satu arah pada sudut yang sedikit berbeda, dan sepanjang yang lain, bentuk potensial optik diubah secara dinamis dengan menggeser panjang gelombang laser tambahan.
Akibatnya, atom dalam perangkap seperti itu sebagian besar bergerak sepanjang arah dengan potensial bolak-balik, dan dengan cara kuantum - ini sesuai dengan model satu dimensi dari efek Hall dua dimensi. Namun, pada saat yang sama, fisikawan menemukan perpindahan bertahap ke arah transversal, meskipun potensi di sepanjang itu tetap konstan selama percobaan. Gerakan ini sesuai dengan efek Hall 4D non-linier. Pengukuran yang tepat menegaskan sifat kuantum gerakan atom ke arah ini, yang menunjukkan sifat kuantum dari fenomena empat dimensi yang pertama kali ditunjukkan.
