Физики наблюдали четырехмерное явление

Ученые продемонстрировали возможность измерить влияние существующих в четырех измерениях физических феноменов на проводимые в трехмерном мире эксперименты. Новые работы опираются на удостоенные Нобелевской премией по физике за 2016 год открытия и могут стать основой принципиально новых подходов к пониманию квантовой механики, а также построению теории квантовой гравитации. Статья европейского коллектива опубликована в журнале Nature.

Окружающий нас мир представляется обладающим тремя измерениями. Однако во многих физических теориях рассматриваются ситуации с большим количеством измерений: в общей теории относительности их четыре (три пространственных и одно временное, объединенные в один континуум), а в теории суперструн рассматривается 10 только пространственных независимых направлений. В новой работе физиков показывается возможность наблюдать влияние четырехмерных процессов на трехмерные эксперименты, что можно образно сравнить с отбрасыванием двумерной тени трехмерными объектами.

В работе физиков изучается система ультрахолодных атомов в двумерной оптической ловушке из лазерных лучей, создающей сверхрешетку — наложение двух периодических потенциалов с различающимися периодами. В такой конструкции появляется новый тип квантового эффекта Холла, который предсказывается для четырехмерных систем. Обычный эффект Холла появляется, когда заряженные частицы движутся в плоскости в присутствии магнитного поля. Поле действует на частицы силой Лоренца, которая отклоняет их в направлении, перпендикулярном движению. В результате появляется поперечная (относительно изначального направления движения) разность потенциалов, называемся холловским напряжением. В 1980 году Клаус фон Клитцинг показал, что при очень низких температурах и больших магнитных полях это напряжение может принимать только определенные значения — это открытие получило названием целочисленного квантового эффекта Холла.

В дальнейшем оказалось, что необходимым условием возникновения квантового эффекта Холла является именно двумерность системы, а ее конкретные физические свойства не так важны. Это связано с топологией квантово-механической волновой функции. Также можно доказать, что подобный эффект невозможен в трехмерных телах, так как перпендикулярное скорости направление не определено однозначно.

Последующие работы показали, что в случае четырех измерений должен существовать аналогичный эффект, для которого был предсказан ряд принципиально новых свойств, например, нелинейный холловский ток. Долгое время это оставалось теоретической моделью без возможности проверки в эксперименте. Однако в 2013 году физики выяснили, что четырехмерный эффект Холла можно почувствовать в специальной двумерной системе под названием топологические зарядовые насосы. Реализовать эту идею удалось только сейчас в специальной двумерной оптической сверхрешетке. В ней лучи различных длин волн вдоль одного направления направлялись под слегка разными углами, а вдоль другого форма оптического потенциала динамически изменялась посредством сдвига длины волны дополнительного лазера.

В результате атомы в подобной ловушке преимущественно двигаются вдоль направления с переменным потенциалом, причем квантовым образом, — это соответствует одномерной модели двумерного эффекта Холла. Однако одновременно с этим физики обнаружили постепенное смещение в поперечном направлении, хотя вдоль него потенциал оставался постоянным в течение всего эксперимента. Это движение соответствует нелинейному четырехмерному эффекту Холла. Точные измерения подтвердили квантовый характер движения атомов и в этом направлении, что показывает квантовую природу впервые продемонстрированного четырехмерного явления.