Znanstvenici su pokazali sposobnost mjerenja utjecaja fizičkih pojava u četiri dimenzije na eksperimente u trodimenzionalnom svijetu. Novo djelo temelji se na otkrićima dodijeljenim Nobelovom nagradom za fiziku za 2016. godinu i može postati osnova za temeljno nove pristupe razumijevanju kvantne mehanike, kao i izgradnju teorije kvantne gravitacije. Članak europskog tima objavljen je u časopisu Nature.
Čini se da svijet oko nas ima tri dimenzije. Međutim, mnoge fizikalne teorije razmatraju situacije s velikim brojem dimenzija: u općoj ih relativnosti postoje četiri (tri prostorne i jedna vremenska, kombinirane u jedan kontinuum), a u teoriji superstruna uzima se u obzir samo 10 neovisnih prostornih pravaca. Novo djelo fizičara pokazuje mogućnost promatranja utjecaja četverodimenzionalnih procesa na trodimenzionalne pokuse, što se slikovito može usporediti s bacanjem dvodimenzionalne sjene trodimenzionalnim objektima.
Fizičari proučavaju sustav ultrahladnih atoma u dvodimenzionalnoj optičkoj zamci laserskih zraka što stvara superrešetku - superpoziciju dvaju periodičnih potencijala s različitim razdobljima. U ovom se dizajnu pojavljuje nova vrsta kvantnog Hallovog efekta, koji se predviđa za četverodimenzionalne sustave. Uobičajeni Hallov efekt javlja se kada se nabijene čestice kreću u ravnini u prisutnosti magnetskog polja. Polje djeluje na čestice Lorentzovom silom koja ih skreće u smjeru okomitom na gibanje. Rezultat je poprečna (u odnosu na izvorni smjer kretanja) razlika potencijala, koja se naziva Hallov napon. 1980. pokazao je Klaus von Klitzingda pri vrlo niskim temperaturama i visokim magnetskim poljima ovaj napon može poprimiti samo određene vrijednosti - ovo se otkriće naziva cjelobrojni kvantni Hallov efekt.
Kasnije se ispostavilo da je nužan uvjet za pojavu kvantnog Hallovog efekta upravo dvodimenzionalnost sustava, a njegova specifična fizička svojstva nisu toliko važna. To je zbog topologije kvantno-mehaničke valne funkcije. Također možete dokazati da je sličan učinak nemoguć u trodimenzionalnim tijelima, jer smjer okomit na brzinu nije jedinstveno određen.
Naknadne studije pokazale su da bi u slučaju četiri mjerenja trebao postojati sličan učinak, za koji su predviđena brojna bitno nova svojstva, na primjer, nelinearna Hallova struja. Dugo je to ostao teoretski model bez mogućnosti eksperimentalne provjere. Međutim, 2013. godine fizičari su shvatili da se četverodimenzionalni Hallov efekt može osjetiti u posebnom dvodimenzionalnom sustavu nazvanom topološke pumpe naboja. Ova ideja je tek sada realizirana u posebnoj dvodimenzionalnoj optičkoj superrešetki. U njemu su snopovi različitih valnih duljina bili usmjereni duž jednog smjera pod malo drugačijim kutovima, a uz drugi se oblik optičkog potencijala dinamički mijenjao pomicanjem valne duljine dodatnog lasera.
Kao rezultat toga, atomi u takvoj zamci pretežno se kreću u smjeru s izmjeničnim potencijalom, i to na kvantni način - to odgovara jednodimenzionalnom modelu dvodimenzionalnog Hallovog efekta. Međutim, istodobno su fizičari otkrili postupno pomicanje u poprečnom smjeru, iako je uz njega potencijal ostao konstantan tijekom cijelog eksperimenta. To gibanje odgovara nelinearnom 4D Hallovom efektu. Precizna mjerenja potvrdila su kvantnu prirodu gibanja atoma u ovom smjeru, što pokazuje kvantnu prirodu prvog demonstriranog četverodimenzionalnog fenomena.
