Por primera vez, Los físicos han construido un sistema experimental bidimensional que les permite estudiar las propiedades físicas de los materiales que se teorizó que existían solo en el espacio tetradimensional. Un equipo internacional de investigadores de Penn State, ETH Zurich en Suiza, la Universidad de Pittsburgh, y el Instituto de Tecnología Holon en Israel han demostrado que el comportamiento de las partículas de luz se puede hacer para coincidir con las predicciones sobre la versión tetradimensional del "efecto Hall cuántico", un fenómeno que ha estado en la raíz de tres premios Nobel en física, en una matriz bidimensional de "guías de ondas".

Un artículo que describe la investigación aparece el 4 de enero de 2018 en la revista Naturaleza junto con un artículo de un grupo separado de Alemania que muestra que se puede usar un mecanismo similar para hacer que un gas de átomos ultrafríos exhiba también la física cuántica de Hall en cuatro dimensiones.

"Cuando se teorizó que el efecto Hall cuántico podría observarse en el espacio de cuatro dimensiones, "dijo Mikael Rechtsman, profesor asistente de física y autor del artículo, "se consideró de interés puramente teórico porque el mundo real consta de sólo tres dimensiones espaciales; era más o menos una curiosidad. Pero, ahora hemos demostrado que la física cuántica de Hall en cuatro dimensiones se puede emular utilizando fotones, partículas de luz, que fluyen a través de una pieza de vidrio intrincadamente estructurada, una matriz de guías de ondas ".

Cuando la carga eléctrica se intercala entre dos superficies, la carga se comporta efectivamente como un material bidimensional. Cuando ese material se enfría a una temperatura cercana al cero absoluto y se somete a un fuerte campo magnético, la cantidad que puede conducir se "cuantifica", fijada a una constante fundamental de la naturaleza y no puede cambiar. "La cuantificación es sorprendente porque incluso si el material es 'desordenado', es decir, tiene muchos defectos:esta 'conductancia Hall' permanece extremadamente estable, ", dijo Rechtsman." Esta robustez del flujo de electrones, el efecto Hall cuántico, es universal y se puede observar en muchos materiales diferentes en condiciones muy diferentes ".

Esta cuantificación de conductancia, descrito por primera vez en dos dimensiones, no se puede observar en un material tridimensional ordinario, pero en 2000, Teóricamente se demostró que se podía observar una cuantificación similar en cuatro dimensiones espaciales. Para modelar este espacio de cuatro dimensiones, los investigadores construyeron matrices de guías de ondas. Cada guía de ondas es esencialmente un tubo, que se comporta como un cable de luz. Este "tubo" está grabado a través de un cristal de alta calidad con un potente láser.

Muchas de estas guías de ondas están inscritas muy cerca a través de una sola pieza de vidrio para formar la matriz. Los investigadores utilizaron una técnica desarrollada recientemente para codificar "dimensiones sintéticas" en las posiciones de las guías de ondas. En otras palabras, los patrones complejos de las posiciones de la guía de ondas actúan como una manifestación de las coordenadas de dimensiones superiores. Al codificar dos dimensiones sintéticas adicionales en la compleja estructura geométrica de las guías de onda, los investigadores pudieron modelar el sistema bidimensional con un total de cuatro dimensiones espaciales. Luego, los investigadores midieron cómo fluía la luz a través del dispositivo y encontraron que se comportaba precisamente de acuerdo con las predicciones del efecto Hall cuántico de cuatro dimensiones.

"Nuestras observaciones, junto con las observaciones que utilizan átomos ultrafríos, proporcionar la primera demostración de la física cuántica de Hall de dimensiones superiores, ", dijo Rechtsman." Pero, ¿cómo puede la comprensión y el sondeo de la física de dimensiones superiores tener alguna relevancia para la ciencia y la tecnología en nuestro mundo tridimensional? Hay varios ejemplos en los que este es el caso. Por ejemplo, Se ha demostrado que los 'cuasicristales', aleaciones metálicas que son cristalinas pero no tienen unidades repetidas y se utilizan para revestir algunas sartenes antiadherentes, tienen 'dimensiones ocultas':sus estructuras pueden entenderse como proyecciones desde un espacio de dimensiones superiores hacia el espacio real. , mundo tridimensional. Es más, es posible que la física de dimensiones superiores se pueda utilizar como principio de diseño para nuevos dispositivos fotónicos ".