A tudósok bebizonyították, hogy a fizikai jelenségek négy dimenzióban kifejtett hatását mérni tudják a háromdimenziós világban végzett kísérleteken. Az új mű a fizikai Nobel-díj által 2016-ban odaítélt felfedezésekre épít, és alapja lehet a kvantummechanika megértésének alapvetően új megközelítésének, valamint a kvantumgravitáció elméletének építéséhez. Az európai csapat cikkét a Nature folyóiratban tették közzé.
Úgy tűnik, hogy a körülöttünk lévő világnak három dimenziója van. Számos fizikai elmélet azonban számos dimenzióval veszi figyelembe a helyzeteket: az általános relativitáselméletben négyen vannak (három térbeli és egy időbeli, egy kontinuumba egyesítve), a szuperhúrelméletben pedig csak 10 független térirányt vesznek figyelembe. A fizikusok új munkája megmutatja a négydimenziós folyamatok háromdimenziós kísérletekre gyakorolt hatásának megfigyelésének lehetőségét, amely átvitt értelemben összehasonlítható a kétdimenziós árnyék háromdimenziós tárgyak általi vetésével.
A fizikusok ultrahideg atomok rendszerét vizsgálják a lézersugarak kétdimenziós optikai csapdájában, amely szuperrácsot hoz létre - két különböző periódusú periodikus potenciál szuperpozíciója. Ebben a tervben egy új típusú kvantum Hall-effektus jelenik meg, amelyet négydimenziós rendszerek esetében jósolnak. A szokásos Hall-effektus akkor jelentkezik, amikor a töltött részecskék síkban mozognak mágneses mező jelenlétében. A mező a részecskékre a Lorentz-erő hatására hat, amely a mozgásra merőleges irányba tereli őket. Ennek eredményeként megjelenik egy keresztirányú (az eredeti mozgásirányhoz viszonyított) potenciálkülönbség, az úgynevezett Hall feszültség. 1980-ban Klaus von Klitzing megmutattahogy nagyon alacsony hőmérsékleten és nagy mágneses téren ez a feszültség csak bizonyos értékeket vehet fel - ezt a felfedezést hívjuk egész kvantum Hall-effektusnak.
Később kiderült, hogy a kvantum Hall-effektus megjelenésének szükséges feltétele éppen a rendszer kétdimenzióssága, és sajátos fizikai tulajdonságai nem annyira fontosak. Ennek oka a kvantummechanikai hullámfüggvény topológiája. Bizonyíthatja azt is, hogy hasonló hatás lehetetlen háromdimenziós testekben, mivel a sebességre merőleges irány nincs egyedileg meghatározva.
A későbbi vizsgálatok azt mutatták, hogy négy mérés esetén hasonló hatásnak kell fennállnia, amelyre számos alapvetően új tulajdonságot jósoltak, például egy nemlineáris Hall áramot. Hosszú ideig ez elméleti modell maradt, anélkül, hogy a kísérlet során ellenőrizni lehetett volna. 2013-ban azonban a fizikusok kitalálták, hogy a négydimenziós Hall-effektus érezhető egy speciális kétdimenziós rendszerben, az úgynevezett topológiai töltésszivattyúkban. Ez az elképzelés csak most valósult meg egy speciális kétdimenziós optikai szuperrácsban. Ebben különböző hullámhosszú nyalábokat irányítottak egyik irányba, kissé eltérő szögben, a másik mentén pedig az optikai potenciál alakját dinamikusan megváltoztatták egy további lézer hullámhosszának eltolásával.
Ennek eredményeként az ilyen csapdában lévő atomok túlnyomórészt váltakozó potenciállal rendelkező irányban mozognak, és kvantum módon, ami megfelel a kétdimenziós Hall-effektus egydimenziós modelljének. Ugyanakkor a fizikusok fokozatos keresztirányú elmozdulást fedeztek fel, bár a mentén lévő potenciál a kísérlet során állandó maradt. Ez a mozgás egy nemlineáris 4D Hall-effektusnak felel meg. A pontos mérések megerősítették az atomok ilyen irányú mozgásának kvantum jellegét, amely az első bemutatott négydimenziós jelenség kvantumtermészetét mutatja.