Les scientifiques ont démontré la capacité de mesurer l'impact des phénomènes physiques en quatre dimensions sur des expériences menées dans un monde tridimensionnel. Le nouveau travail s'appuie sur les découvertes qui ont reçu le prix Nobel de physique pour 2016 et peut former la base d'approches fondamentalement nouvelles pour comprendre la mécanique quantique, ainsi que pour construire une théorie de la gravité quantique. Un article de l'équipe européenne a été publié dans la revue Nature.
Le monde qui nous entoure semble avoir trois dimensions. Cependant, de nombreuses théories physiques considèrent des situations avec un grand nombre de dimensions: en relativité générale, il y en a quatre (trois spatiales et une temporelle, combinées en un seul continuum), et en théorie des supercordes, seules 10 directions spatiales indépendantes sont considérées. Les nouveaux travaux des physiciens montrent la possibilité d'observer l'influence des processus à quatre dimensions sur des expériences en trois dimensions, qui peut être comparée au figuré à la projection d'une ombre à deux dimensions par des objets en trois dimensions.
Les physiciens étudient un système d'atomes ultra-froids dans un piège optique bidimensionnel de faisceaux laser, qui crée un super-réseau - la superposition de deux potentiels périodiques avec des périodes différentes. Dans cette conception, un nouveau type d'effet Hall quantique apparaît, qui est prédit pour les systèmes à quatre dimensions. L'effet Hall habituel se produit lorsque des particules chargées se déplacent dans un plan en présence d'un champ magnétique. Le champ agit sur les particules par la force de Lorentz, qui les dévie dans une direction perpendiculaire au mouvement. Le résultat est une différence de potentiel transversale (par rapport à la direction d'origine du mouvement), appelée tension de Hall. En 1980, Klaus von Klitzing a montréqu'à des températures très basses et des champs magnétiques élevés, cette tension ne peut prendre que certaines valeurs - cette découverte s'appelle l'effet Hall quantique entier.
Plus tard, il s'est avéré que la condition nécessaire à l'apparition de l'effet Hall quantique est précisément la bidimensionnalité du système, et ses propriétés physiques spécifiques ne sont pas si importantes. Cela est dû à la topologie de la fonction d'onde mécanique quantique. Vous pouvez également prouver qu'un effet similaire est impossible dans les corps tridimensionnels, car la direction perpendiculaire à la vitesse n'est pas déterminée de manière unique.
Des études ultérieures ont montré que dans le cas de quatre mesures, un effet similaire devrait exister, pour lequel un certain nombre de propriétés fondamentalement nouvelles ont été prédites, par exemple un courant de Hall non linéaire. Pendant longtemps, cela resta un modèle théorique sans possibilité de vérification expérimentale. Cependant, en 2013, les physiciens ont découvert que l'effet Hall à quatre dimensions pouvait être ressenti dans un système spécial à deux dimensions appelé pompes à charge topologique. Cette idée n'a été réalisée que maintenant dans un super-réseau optique bidimensionnel spécial. Dans celui-ci, des faisceaux de différentes longueurs d'onde ont été dirigés le long d'une direction à des angles légèrement différents, et le long de l'autre, la forme du potentiel optique a été dynamiquement modifiée en décalant la longueur d'onde d'un laser supplémentaire.
Il en résulte que les atomes dans un tel piège se déplacent majoritairement selon une direction à potentiel alternatif, et de manière quantique, ce qui correspond au modèle unidimensionnel de l'effet Hall bidimensionnel. Cependant, dans le même temps, les physiciens ont découvert un déplacement progressif dans la direction transversale, bien que le potentiel le long de celui-ci soit resté constant tout au long de l'expérience. Ce mouvement correspond à un effet Hall 4D non linéaire. Des mesures précises ont confirmé la nature quantique du mouvement des atomes dans cette direction, ce qui montre la nature quantique du premier phénomène à quatre dimensions démontré.
