Четырехмерная физика в двух измерениях

Рубрика: Новости

 

Физики впервые создали двумерную экспериментальную систему, которая позволяет изучать свойства материи, которые, согласно теории, должны существовать только в четырехмерном пространстве. Международная команда исследователей из Пенсильванского университета, Высшей технической школы Цюриха, Питтсбургского университета и Холонського технологического института (Израиль) доказали, что поведение частиц света — фотонов — можно заставить отвечать предсказанием о четырехмерную версию квантового эффекта Холла в двумерном массиве волноводов.

 

Статья с описанием исследования вышла 4 января в журнале Nature вместе со статьей другой исследовательской группы из Германии, в которой говорится о том, что на основе такого же механизма можно побудить газе из ультрахолодных атомов выявлять четырехмерные квантовые холловских свойства.

 

“Когда впервые теоретически предположили, что квантовый эффект Холла можно наблюдать в четырехмерном пространстве, — говорит главный автор исследования Микаэль Рехтсман, — ученые считали, что это вызывает чисто теоретический интерес, ведь мир, в котором мы живем, имеет только три измерения. Но теперь мы продемонстрировали, что четырехмерную квантовую физику Холла можно смоделировать с использованием фотонов, которые движутся сквозь кусок стекла с замысловатой структурой — так называемый хвилевідний массив”.

 

Когда электрический заряд находится между двумя поверхностями, он ведет себя как двумерный материал. Когда же этот материал охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю, и подвергнуть действию сильного магнитного поля, то количество электричества, которое он проводит, становится квантованою — сводной неизменной фундаментальной естественной константы. “Особенность этого явления заключается в том, что даже если материал “беспорядочный”, то есть имеет много дефектов, проводимость Холла остается чрезвычайно стабильной. Эта устойчивость электрического потока — квантовый эффект Холла — является универсальной и проявляется в совершенно разных материалах при различных условиях”, — добавляет Рехтсман.

 

Это квантование проводимости невозможно наблюдать в обычном трехмерном материале, но в 2000 году ученые теоретически показали, что аналогичное квантование должно существовать в четырехмерном пространстве. Чтобы смоделировать четырехмерное пространство, исследователи создали волноводные массивы. Каждый волновод — это, собственно, трубка, которая ведет себя, словно световое волокно. С помощью мощного лазера много таких трубок “вписали” в структуру стекла, образовав хвилевідний массив.

 

Исследователи использовали недавно разработанную технику закодовування “синтетических измерений” в позиции волноводов, которые действуют, как проявления координат высшей размерности. Закодовуючи два дополнительные синтетические замеры в сложные геометрические структуры волноводов, исследователи смогли смоделировать двумерную систему, как будто она имеет четыре пространственные измерения. Следующим шагом было проанализировать, как свет распространяется сквозь систему. Оказалось, что оно ведет себя точно в соответствии с предсказаний четырехмерного квантового эффекта Холла.

 

“Эксперимент является первым подтверждением существования квантового эффекта Холла в физике высшей размерности. — говорит Рехтсман. — Но как понимания и исследования явлений, которые существуют в пространстве с большим количеством измерений, может быть полезным для науки и технологий в привычном трехмерном пространстве? Существуют примеры, в которых они как раз и имеют значение. Например, квазикристаллы — металлические сплавы, которые являются кристаллическими, однако не имеют повторяющихся единиц и используются для покрытия некоторых антипригарных сковородок. Доказано, что они имеют “скрытые измерения”, а их структуру можно понимать как проекцию высших пространственных размерностей на реальный трехмерный мир. Кроме того, физику высших пространственных размерностей возможно использовать как принцип дизайна новых фотонных устройств”.

 

Four-dimensional physics in two dimensions

ScienceDaily, 3/01/2018

Отреферировал Евгений Ланюк

Если Вам интересна эта запись, Вы можете следить за ее обсуждением, подписавшись на RSS 2.0 . Комментарии и пинг закрыты.