Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben een tweedimensionaal experimenteel systeem gebouwd waarmee ze de fysieke eigenschappen kunnen bestuderen van materialen waarvan werd aangenomen dat ze alleen in de vierdimensionale ruimte bestonden. Een internationaal team van onderzoekers uit Penn State, ETH Zürich in Zwitserland, de Universiteit van Pittsburgh, en het Holon Institute of Technology in Israël hebben aangetoond dat het gedrag van lichtdeeltjes kan worden afgestemd op voorspellingen over de vierdimensionale versie van het "quantum Hall-effect" - een fenomeen dat aan de basis lag van drie Nobelprijzen in natuurkunde - in een tweedimensionale reeks 'golfgeleiders'.

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt op 4 januari, 2018 in het journaal Natuur samen met een paper van een aparte groep uit Duitsland die laat zien dat een soortgelijk mechanisme kan worden gebruikt om een ​​gas van ultrakoude atomen ook vierdimensionale quantum Hall-fysica te laten vertonen.

"Toen werd getheoretiseerd dat het kwantum Hall-effect kon worden waargenomen in de vierdimensionale ruimte, " zei Mikael Rechtsman, assistent-professor natuurkunde en auteur van het artikel, "het werd beschouwd als van puur theoretisch belang omdat de echte wereld uit slechts drie ruimtelijke dimensies bestaat; het was min of meer een curiositeit. Maar, we hebben nu aangetoond dat vierdimensionale quantum Hall-fysica kan worden nagebootst met behulp van fotonen - lichtdeeltjes - die door een ingewikkeld gestructureerd stuk glas stromen - een golfgeleiderarray."

Wanneer elektrische lading tussen twee oppervlakken is ingeklemd, de lading gedraagt ​​zich effectief als een tweedimensionaal materiaal. Wanneer dat materiaal wordt afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt en wordt blootgesteld aan een sterk magnetisch veld, de hoeveelheid die het kan geleiden wordt "gekwantiseerd" - vastgezet op een fundamentele natuurconstante en kan niet veranderen. "Kwantisering is opvallend, want zelfs als het materiaal 'rommelig' is, dat wil zeggen, het heeft veel gebreken - deze 'Hall-geleiding' blijft buitengewoon stabiel, "zei Rechtsman. "Deze robuustheid van elektronenstroom - het kwantum Hall-effect - is universeel en kan in veel verschillende materialen onder zeer verschillende omstandigheden worden waargenomen."

Deze kwantisering van geleiding, eerst beschreven in twee dimensies, niet kan worden waargenomen in een gewoon driedimensionaal materiaal, maar in 2000, er werd theoretisch aangetoond dat een vergelijkbare kwantisatie kon worden waargenomen in vier ruimtelijke dimensies. Om deze vierdimensionale ruimte te modelleren, de onderzoekers bouwden golfgeleiderarrays. Elke golfgeleider is in wezen een buis, die zich gedraagt ​​als een draad voor licht. Deze "buis" is gegraveerd door hoogwaardig glas met behulp van een krachtige laser.

Veel van deze golfgeleiders zijn dicht bij elkaar geplaatst door een enkel stuk glas om de array te vormen. De onderzoekers gebruikten een recent ontwikkelde techniek om "synthetische dimensies" te coderen in de posities van de golfgeleiders. Met andere woorden, de complexe patronen van de golfgeleiderposities fungeren als een manifestatie van de hoger-dimensionale coördinaten. Door twee extra synthetische dimensies te coderen in de complexe geometrische structuur van de golfgeleiders, de onderzoekers waren in staat om het tweedimensionale systeem te modelleren met in totaal vier ruimtelijke dimensies. De onderzoekers maten vervolgens hoe licht door het apparaat stroomde en ontdekten dat het zich precies gedroeg volgens de voorspellingen van het vierdimensionale kwantum Hall-effect.

"Onze observaties, samen met de waarnemingen met behulp van ultrakoude atomen, bieden de eerste demonstratie van hoger-dimensionale quantum Hall-fysica, " zei Rechtsman. "Maar hoe kan het begrijpen en onderzoeken van hoger-dimensionale fysica enige relevantie hebben voor wetenschap en technologie in onze driedimensionale wereld? Er zijn een aantal voorbeelden waar dit het geval is. Bijvoorbeeld, 'quasicrystals' - metaallegeringen die kristallijn zijn maar geen herhalende eenheden hebben en worden gebruikt om sommige pannen met antiaanbaklaag te coaten - hebben 'verborgen dimensies':hun structuren kunnen worden begrepen als projecties van een hoger-dimensionale ruimte naar de werkelijkheid , driedimensionale wereld. Verder, het is mogelijk dat hoger-dimensionale fysica kan worden gebruikt als ontwerpprincipe voor nieuwe fotonische apparaten."