Уперше фізики створили двовимірну експериментальну систему, яка дає змогу вивчати властивості матерії, які, згідно з теорією, повинні існувати лише в чотиривимірному просторі. Міжнародна команда дослідників з Пенсильванського університету, Вищої технічної школи Цюриха, Піттсбурзького університету та Холонського технологічного інституту (Ізраїль) довели, що поведінку частинок світла — фотонів — можна змусити відповідати передбаченням про чотиривимірну версію квантового ефекту Холла в двовимірному масиві хвилеводів.
Стаття з описом дослідження вийшла 4 січня в часописі Nature разом зі статтею іншої дослідницької групи з Німеччини, у якій йдеться про те, що на основі такого самого механізму можна спонукати газ з ультрахолодних атомів виявляти чотиривимірні квантові холлівські властивості.
“Коли вперше теоретично припустили, що квантовий ефект Холла можна спостерігати в чотиривимірному просторі, — каже головний автор дослідження Мікаель Рехтсман, — вчені вважали, що це викликає суто теоретичний інтерес, адже світ, в якому ми живемо, має тільки три виміри. Але тепер ми продемонстрували, що чотиривимірну квантову фізику Холла можна змоделювати з використанням фотонів, які рухаються крізь шматок скла з хитромудрою структурою — так званий хвилевідний масив”.
Коли електричний заряд перебуває між двома поверхнями, він поводиться наче двовимірний матеріал. Коли ж цей матеріал охолодити до температури, близької до абсолютного нуля, і піддати дії сильного магнітного поля, то кількість електрики, яку він проводить, стає квантованою — зведеною до незмінної фундаментальної природної константи. “Особливість цього явища полягає в тому, що навіть якщо матеріал “безладний”, тобто має багато дефектів, провідність Холла залишається надзвичайно стабільною. Ця стійкість електричного потоку — квантовий ефект Холла — є універсальною та виявляється в зовсім різних матеріалах при різних умовах”, — додає Рехтсман.
Це квантування провідності неможливо спостерігати у звичайному тривимірному матеріалі, але у 2000 році вчені теоретично показали, що аналогічне квантування повинне існувати і в чотиривимірному просторі. Щоб змоделювати чотиривимірний простір, дослідники створили хвилевідні масиви. Кожен хвилевід — це, власне, трубка, яка поводиться, наче світлове волокно. За допомогою потужного лазера багато таких трубок “вписали” в структуру скла, утворивши хвилевідний масив.
Дослідники використали недавно розроблену техніку закодовування “синтетичних вимірів” у позиції хвилеводів, які діють, наче прояви координат вищої розмірності. Закодовуючи два додаткові синтетичні виміри у складні геометричні структури хвилеводів, дослідники змогли змоделювати двовимірну систему, наче вона має чотири просторові виміри. Наступним кроком було проаналізувати, як світло поширюється крізь систему. Виявилося, що воно поводиться точно у відповідності до передбачень чотиривимірного квантового ефекту Холла.
“Експеримент є першим підтвердженням існування квантового ефекту Холла у фізиці вищої розмірності, — каже Рехтсман. — Але як розуміння і дослідження явищ, які існують у просторі з більшою кількістю вимірів, може бути корисним для науки і технологій у звичному тривимірному просторі? Існують приклади, в яких вони якраз і мають значення. Наприклад, квазікристали — металеві сплави, які є кристалічними, однак не мають повторюваних одиниць і використовуються для покриття деяких антипригарних сковорідок. Доведено, що вони мають “приховані виміри”, а їхню структуру можна розуміти як проекцію вищих просторових розмірностей на реальний тривимірний світ. Крім того, фізику вищих просторових розмірностей можливо використовувати як принцип дизайну нових фотонних пристроїв”.
Four-dimensional physics in two dimensions
ScienceDaily, 3/01/2018
Зреферував Євген Ланюк