Forskere har demonstreret evnen til at måle indvirkningen af fysiske fænomener i fire dimensioner på eksperimenter i en tredimensionel verden. Det nye arbejde bygger på de opdagelser, der blev tildelt af Nobelprisen i fysik for 2016 og kan blive grundlaget for fundamentalt nye tilgange til forståelse af kvantemekanik samt opbygning af teorien om kvantegravitation. En artikel fra det europæiske hold blev offentliggjort i tidsskriftet Nature.
Verden omkring os ser ud til at have tre dimensioner. Imidlertid betragter mange fysiske teorier situationer med et stort antal dimensioner: generelt er der fire af dem (tre rumlige og en tidsmæssig, kombineret til et kontinuum), og i superstrengsteori overvejes kun 10 uafhængige rumlige retninger. Det nye arbejde fra fysikere viser muligheden for at observere indflydelsen af fire-dimensionelle processer på tredimensionelle eksperimenter, som billedligt kan sammenlignes med støbningen af en to-dimensionel skygge af tredimensionelle objekter.
Fysikere studerer et system af ultrakolde atomer i en todimensionel optisk fælde af laserstråler, som skaber et supergitter - superpositionen af to periodiske potentialer med forskellige perioder. I dette design vises en ny type kvante Hall-effekt, som forudsiges for fire-dimensionelle systemer. Den sædvanlige Hall-effekt opstår, når ladede partikler bevæger sig i et plan i nærværelse af et magnetfelt. Feltet virker på partiklerne ved hjælp af Lorentz-kraften, som afbøjer dem i en retning vinkelret på bevægelsen. Som et resultat vises en tværgående (i forhold til den oprindelige bevægelsesretning) potentialforskel kaldet Hall-spændingen. I 1980 viste Klaus von Klitzingat ved meget lave temperaturer og høje magnetiske felter kan denne spænding kun påtage sig bestemte værdier - denne opdagelse kaldes heltal kvante Hall-effekten.
Senere viste det sig, at den nødvendige betingelse for udseendet af kvante Hall-effekten netop er systemets to-dimensionalitet, og dets specifikke fysiske egenskaber er ikke så vigtige. Dette skyldes topologien for kvantemekanisk bølgefunktion. Det kan også bevises, at en sådan virkning er umulig i tredimensionelle kroppe, da retningen vinkelret på hastigheden ikke bestemmes entydigt.
Efterfølgende undersøgelser viste, at i tilfælde af fire målinger skulle der være en lignende effekt, for hvilken der blev forudsagt et antal fundamentalt nye egenskaber, for eksempel en ikke-lineær Hall-strøm. I lang tid forblev dette en teoretisk model uden mulighed for eksperimentel verifikation. Imidlertid fandt fysikere i 2013 ud af, at den fire-dimensionelle Hall-effekt kan mærkes i et specielt to-dimensionelt system kaldet topologiske ladningspumper. Denne idé er først nu blevet realiseret i et specielt todimensionalt optisk supergitter. I den blev stråler med forskellige bølgelængder rettet i den ene retning i lidt forskellige vinkler, og langs den anden blev formen på det optiske potentiale dynamisk ændret ved at skifte bølgelængden for en ekstra laser.
Som et resultat bevæger atomer sig i en sådan fælde overvejende i en retning med et alternerende potentiale og kvantemæssigt - dette svarer til den endimensionelle model af den todimensionale Hall-effekt. Men på samme tid opdagede fysikere en gradvis forskydning i tværretningen, selvom potentialet langs den forblev konstant gennem hele eksperimentet. Denne bevægelse svarer til en ikke-lineær 4D Hall-effekt. Nøjagtige målinger bekræftede kvanternes natur af atomernes bevægelse i denne retning, hvilket viser kvantekarakteren af det første demonstrerede firedimensionelle fænomen.