En la literatura, la existencia potencial de dimensiones adicionales se discutió en la novela satírica de Edwin Abbott "Flatland: Un romance de muchas dimensiones" 1884, que retrata a la sociedad victoriana en la Inglaterra del siglo XIX como un mundo jerárquico bidimensional, incapaz de darse cuentasu mentalidad estrecha debido a su naturaleza de dimensión inferior. Por otro lado, en física, la posibilidad de que nuestro universo comprenda más de tres dimensiones espaciales se propuso por primera vez a raíz de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein en la década de 1920.teoría, tratando de conciliar las ideas de Einstein con las leyes de la mecánica cuántica, incluso postula hasta 10 dimensiones.
En un contexto completamente diferente, un equipo internacional de investigadores dirigido por el profesor Immanuel Bloch LMU / MPQ y el profesor Oded Zilberberg ETH Zürich ahora ha demostrado una forma de observar fenómenos físicos propuestos para existir en sistemas de dimensiones superiores en forma análogaExperimentos del mundo real: utilizando átomos ultrafríos atrapados en un potencial de superredes bidimensional periódicamente modulado, los científicos pudieron observar una versión dinámica de un nuevo tipo de efecto Hall cuántico que se prevé que ocurra en los sistemas de cuatro dimensiones. Naturaleza, 4 de enero de 2018
El efecto Hall ocurre cuando las partículas cargadas se mueven en un plano bidimensional en presencia de un campo magnético. El campo magnético genera una fuerza de Lorentz, que desvía las partículas en la dirección ortogonal a su movimiento. Esto se manifiesta en la aparición deun voltaje Hall transversal. En 1980, Klaus von Klitzing descubrió que a bajas temperaturas y campos magnéticos muy fuertes este voltaje solo puede tomar ciertos valores cuantificados. Además, estos valores son idénticos independientemente de las propiedades específicas de la muestra experimental.Más tarde se demostró que un hecho sorprendente estaba relacionado con la topología de las funciones de onda de la mecánica cuántica que describe el comportamiento de los electrones a tan bajas energías, un trabajo seminal por el que David Thouless recibió el premio Nobel de física en 2016.
Un requisito previo importante para el efecto Hall cuántico resultó ser la geometría bidimensional de la muestra. Se puede demostrar que, en general, tal fenómeno no puede tener lugar en sistemas tridimensionales, como lo demuestra el hecho de que ella dirección transversal a la velocidad de las partículas no se define únicamente en tres dimensiones. Por lo tanto, se creía que este efecto es especial en dos dimensiones. Sin embargo, 20 años después del descubrimiento inicial, los físicos teóricos postularon que un efecto similar también podría tener lugar ensistemas cuatridimensionales, para los cuales se predijeron propiedades aún más notables, incluida una novedosa corriente Hall no lineal. Durante mucho tiempo, sin embargo, esta propuesta fue considerada principalmente como una curiosidad matemática, fuera del alcance de los experimentos reales, a pesar de suimplicaciones de largo alcance. Por ejemplo, se pueden derivar los aislantes topológicos y los semimetales de Weyl, dos de los descubrimientos más destacados en física de materia condensada en los últimos años.de modelos 4D Quantum Hall.
En 2013, Oded Zilberberg y sus colaboradores se dieron cuenta de que las firmas clave del efecto Hall cuántico 4D también deberían ser visibles en sistemas especiales dependientes del tiempo en dos dimensiones, llamadas bombas de carga topológica, que constituyen una versión dinámica de las dimensiones superioresmodelo. Esta idea generalizó una idea, que también se remonta a David Thouless. En 1983, Thouless demostró que se puede generar un transporte cuantificado de partículas modulando periódicamente un sistema 1D y que esta respuesta es matemáticamente equivalente al efecto Hall cuántico 2D.En consecuencia, al combinar dos de estos sistemas en direcciones ortogonales, debería ser posible observar la corriente de Hall no lineal predicha en 4D.
Esto ha sido logrado por el grupo de Immanuel Bloch. Al principio, una nube de átomos se enfría cerca del cero absoluto y se coloca en una red óptica 2D. Dicha red óptica se crea por interferencia de rayos láser de reflejo retroactivo deuna cierta longitud de onda a lo largo de dos direcciones ortogonales. El potencial resultante se asemeja a un "cristal de luz" similar a un cartón de huevos, en el cual los átomos pueden moverse. Al agregar otro rayo láser con una longitud de onda diferente en cada dirección, se denomina una superredesLos investigadores podrían implementar la bomba de carga topológica 2D propuesta mediante la introducción de un ángulo pequeño constante entre los haces de diferente longitud de onda a lo largo de un eje, al mismo tiempo que cambian dinámicamente la forma del potencial en la dirección ortogonal cambiando ligeramente la longitud de onda delrayo láser adicional.
Al modular el potencial en el tiempo, los átomos se mueven predominantemente en la dirección de la modulación y lo hacen de forma cuantificada: la respuesta lineal es decir, 1D correspondiente al efecto Hall cuántico 2D como predice Thouless. Pero ademásPara esto, el equipo de Munich también observó una ligera deriva en la dirección transversal, a pesar de que el potencial reticular en esta dirección permanece estático durante todo el experimento. Este movimiento transversal es el equivalente de la respuesta Hall no lineal, la característica esencial deEfecto Hall 4D. Al monitorear y analizar cuidadosamente en qué posiciones de la superred se encuentran los átomos durante este proceso, los científicos podrían demostrar además que este movimiento está cuantificado, revelando así la naturaleza cuántica del efecto Hall en 4D.
Los resultados se han publicado en la revista Nature junto con el trabajo complementario de un equipo de investigación estadounidense, que utilizó estructuras fotónicas para estudiar los intrincados fenómenos de límites que acompañan este movimiento como resultado del efecto Hall cuántico 4D. Juntos, estos documentosBrinda la primera visión experimental de la física de los sistemas cuánticos Hall de dimensiones superiores, que ofrecen una serie de fascinantes perspectivas de futuro, que incluyen preguntas fundamentales para nuestra comprensión del universo, como la interacción de las correlaciones cuánticas y la dimensionalidad, la generación de campos magnéticos cósmicos.y la gravedad cuántica, para la cual se han propuesto los sistemas 4D Hall cuánticos como modelos de juguete
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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