Simuliranje dodatnih dimenzij

Fiziki in fizičarke so pripravili material, ki se obnaša, kot bi imel dodatno prostorsko dimenzijo. Da je kaj takega mogoče, se je špekuliralo že dobro desetletje, zdaj pa je mogoče to opaziti tudi eksperimentalno.

Elektromagnetnih efektov, ki stojijo za Hallovim pojavom, se spomnimo iz srednje šole: če električni vodnik postavimo v magnetno polje, nanj deluje sila. Ta je pravokotna tako na smer električnega toka kot na magnetno polje. Situacija je zanimivejša, če električni vodnik držimo pri miru -- v tem primeru se v smeri, v kateri deluje sila, namesto gibanja pojavi prečna napetost. Pravimo, da gre za Hallovo napetost, njen nastanek pa imenujemo Hallov pojav. Močnejše kot je magnetno polje, večja je Hallova napetost.

Nekaj podobnega se zgodi v misterioznem svetu kvantne mehanike. Dvodimenzionalen material, ki ga ohladimo do izjemno nizkih temperatur in izpostavimo močnemu magnetnemu polju, začne kazati znake nečesa podobnega Hallovemu pojavu. Specifika te kvantne verzije je v tem, da se prečna napetost ne povečuje zvezno, ampak je kvantizirana. To pomeni: če počasi povečujemo polje, se Hallova napetost nekaj časa sploh ne spreminja, nato pa kar naenkrat poskoči za eno enoto ali kvant. Ti skoki so neverjetno točni celoštevilski večkratniki svoje osnovne enote. Tako točno, da je pojav postal industrijski standard za umeritev upornosti. Opisanemu fenomenu pravimo kvantni Hallov pojav ali celoštevilski kvantni Hallov pojav.

Pomembna tehnikalija kvantnega Hallovega pojava je to, da obstaja v dveh dimenzijah. Trodimenzionalni prostor takega pojava kvalitativno ni zmožen realizirati. Že nekaj časa se teoretizira, da bi lahko obstajale 4-D ekvivalente, nihče pa ni pričakoval, da bi bilo kaj takega možno opaziti v naravi.

Ravno to pa je uspelo evropski skupini znanstvenikov in znanstvenic. S tehniko hladnih atomov so simulirali sklopljeni 2-D mreži. To jim je omogočil poseben način projekcije 4-D prostora na 2-D prostor. Na ta način so dobili kvantni Hallov pojav v eni mreži, ki je povzročil isti pojav na drugi mreži. Kot pa smo omenili na začetku, so si vse smeri v Hallovih pojavih pravokotne med seboj. Hallov pojav na drugi mreži se mora torej manifestirati v četrti smeri.

V eksperimentu so uspeli zaznati kazalce, da se sistem res obnaša kot štiridimenzionalen. Še več: preko tega pojava jim je uspelo izmeriti novo fizikalno količino, ki v treh dimenzijah sploh ne obstaja. Takšno metodo bomo v prihodnosti morda lahko  uporabljali za simuliranje poljubnodimenzionalnih fizikalnih sistemov.

V treh dimenzijah pa živi vajenec Martin.

Skupina je članek objavila v reviji Nature (http://dx.doi.org/10.1038/nature25000), na voljo pa je tudi na spletnem portalu arXiv (https://arxiv.org/abs/1705.08371).