Gli scienziati hanno dimostrato la capacità di misurare l'impatto dei fenomeni fisici in quattro dimensioni sugli esperimenti in un mondo tridimensionale. Il nuovo lavoro si basa sulle scoperte che hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica per il 2016 e può costituire la base di approcci fondamentalmente nuovi per comprendere la meccanica quantistica, oltre a costruire una teoria della gravità quantistica. Un articolo del team europeo è stato pubblicato sulla rivista Nature.
Il mondo che ci circonda sembra avere tre dimensioni. Tuttavia, molte teorie fisiche considerano situazioni con un gran numero di dimensioni: nella relatività generale ce ne sono quattro (tre spaziali e una temporale, combinate in un continuum), e nella teoria delle superstringhe vengono considerate solo 10 direzioni spaziali indipendenti. Il nuovo lavoro dei fisici mostra la possibilità di osservare l'influenza dei processi quadridimensionali su esperimenti tridimensionali, che può essere figurativamente paragonato alla proiezione di un'ombra bidimensionale da parte di oggetti tridimensionali.
I fisici studiano un sistema di atomi ultrafreddi in una trappola ottica bidimensionale di raggi laser, che crea un super reticolo: la sovrapposizione di due potenziali periodici con periodi diversi. In questo progetto compare un nuovo tipo di effetto Hall quantistico, previsto per i sistemi quadridimensionali. Il solito effetto Hall si verifica quando le particelle cariche si muovono su un piano in presenza di un campo magnetico. Il campo agisce sulle particelle dalla forza di Lorentz, che le devia nella direzione perpendicolare al moto. Di conseguenza, appare una differenza di potenziale trasversale (relativa alla direzione originale del movimento), chiamata tensione di Hall. Nel 1980, Klaus von Klitzing ha mostratoche a temperature molto basse e campi magnetici elevati, questa tensione può assumere solo determinati valori: questa scoperta è chiamata effetto Hall quantistico intero.
Successivamente si è scoperto che la condizione necessaria per la comparsa dell'effetto Hall quantistico è proprio la bidimensionalità del sistema, e le sue proprietà fisiche specifiche non sono così importanti. Ciò è dovuto alla topologia della funzione d'onda meccanica quantistica. Puoi anche provare che un effetto simile è impossibile nei corpi tridimensionali, poiché la direzione perpendicolare alla velocità non è determinata in modo univoco.
Studi successivi hanno dimostrato che nel caso di quattro misurazioni dovrebbe esistere un effetto simile, per il quale erano previste numerose proprietà fondamentalmente nuove, ad esempio una corrente di Hall non lineare. Per molto tempo questo è rimasto un modello teorico senza possibilità di verifica sperimentale. Tuttavia, nel 2013, i fisici hanno scoperto che l'effetto Hall quadridimensionale può essere sentito in uno speciale sistema bidimensionale chiamato pompe di carica topologiche. Questa idea è stata realizzata solo ora in uno speciale reticolo ottico bidimensionale. In esso, fasci di diverse lunghezze d'onda erano diretti lungo una direzione con angoli leggermente diversi e, lungo l'altra, la forma del potenziale ottico veniva modificata dinamicamente spostando la lunghezza d'onda di un laser aggiuntivo.
Di conseguenza, gli atomi in una tale trappola si muovono prevalentemente lungo una direzione con un potenziale alternato e in modo quantistico, che corrisponde al modello unidimensionale dell'effetto Hall bidimensionale. Tuttavia, allo stesso tempo, i fisici hanno scoperto un graduale spostamento nella direzione trasversale, sebbene lungo di essa il potenziale sia rimasto costante durante l'esperimento. Questo movimento corrisponde a un effetto Hall 4D non lineare. Misurazioni precise hanno confermato la natura quantistica del movimento degli atomi in questa direzione, che mostra la natura quantistica del primo fenomeno quadridimensionale dimostrato.
