Os cientistas demonstraram a capacidade de medir o impacto de fenômenos físicos em quatro dimensões em experimentos em um mundo tridimensional. O novo trabalho se baseia nas descobertas que receberam o Prêmio Nobel de Física em 2016 e pode formar a base de abordagens fundamentalmente novas para a compreensão da mecânica quântica, bem como construir uma teoria da gravidade quântica. Um artigo da equipe europeia foi publicado na revista Nature.
O mundo ao nosso redor parece ter três dimensões. No entanto, muitas teorias físicas consideram situações com um grande número de dimensões: na relatividade geral existem quatro delas (três espaciais e uma temporal, combinadas em um contínuo), e na teoria das supercordas, apenas 10 direções espaciais independentes são consideradas. O novo trabalho dos físicos mostra a possibilidade de observar a influência de processos quadridimensionais em experimentos tridimensionais, que podem ser comparados figurativamente à projeção de uma sombra bidimensional por objetos tridimensionais.
Os físicos estudam um sistema de átomos ultracold em uma armadilha óptica bidimensional de feixes de laser, que cria uma superrede - a sobreposição de dois potenciais periódicos com períodos diferentes. Neste projeto, um novo tipo de efeito Hall quântico aparece, que é previsto para sistemas quadridimensionais. O efeito Hall usual ocorre quando partículas carregadas se movem em um plano na presença de um campo magnético. O campo atua sobre as partículas pela força de Lorentz, que as desvia em uma direção perpendicular ao movimento. O resultado é uma diferença de potencial transversal (em relação à direção original do movimento), chamada de tensão Hall. Em 1980, Klaus von Klitzing mostrouque em temperaturas muito baixas e campos magnéticos altos, essa voltagem só pode assumir certos valores - essa descoberta é chamada de efeito Hall quântico inteiro.
Mais tarde, descobriu-se que a condição necessária para o surgimento do efeito Hall quântico é precisamente a bidimensionalidade do sistema, e suas propriedades físicas específicas não são tão importantes. Isso se deve à topologia da função de onda da mecânica quântica. Você também pode provar que um efeito semelhante é impossível em corpos tridimensionais, uma vez que a direção perpendicular à velocidade não é determinada exclusivamente.
Estudos subsequentes mostraram que, no caso de quatro medições, um efeito semelhante deveria existir, para o qual uma série de propriedades fundamentalmente novas foram previstas, por exemplo, uma corrente Hall não linear. Por muito tempo, este permaneceu um modelo teórico sem possibilidade de verificação experimental. No entanto, em 2013, os físicos descobriram que o efeito Hall quadridimensional pode ser sentido em um sistema bidimensional especial chamado bombas de carga topológica. Essa ideia só agora foi realizada em uma superrede ótica bidimensional especial. Nele, feixes de diferentes comprimentos de onda eram direcionados ao longo de uma direção em ângulos ligeiramente diferentes e, ao longo do outro, a forma do potencial óptico era alterada dinamicamente ao mudar o comprimento de onda de um laser adicional.
Como resultado, os átomos em tal armadilha se movem predominantemente ao longo de uma direção com um potencial alternado e de forma quântica, que corresponde ao modelo unidimensional do efeito Hall bidimensional. No entanto, ao mesmo tempo, os físicos descobriram um deslocamento gradual na direção transversal, embora o potencial ao longo dele permanecesse constante durante todo o experimento. Este movimento corresponde a um efeito Hall 4D não linear. Medições precisas confirmaram a natureza quântica do movimento dos átomos nessa direção, o que mostra a natureza quântica do primeiro fenômeno quadridimensional demonstrado.
