Pela primeira vez, os físicos construíram um sistema experimental bidimensional que lhes permite estudar as propriedades físicas de materiais que teoricamente existiam apenas no espaço quadridimensional. Uma equipe internacional de pesquisadores da Penn State, ETH Zurique na Suíça, a Universidade de Pittsburgh, e o Holon Institute of Technology em Israel demonstraram que o comportamento das partículas de luz pode ser feito para corresponder às previsões sobre a versão quadridimensional do "efeito Hall quântico" - um fenômeno que está na raiz de três prêmios Nobel em física - em uma matriz bidimensional de "guias de onda".

Um artigo descrevendo a pesquisa aparece em 4 de janeiro, 2018 no jornal Natureza junto com um artigo de um grupo separado da Alemanha que mostra que um mecanismo semelhante pode ser usado para fazer um gás de átomos ultracoldados exibir também a física quântica de Hall quadridimensional.

"Quando foi teorizado que o efeito Hall quântico poderia ser observado no espaço quadridimensional, "disse Mikael Rechtsman, professor assistente de física e autor do artigo, "foi considerado de interesse puramente teórico porque o mundo real consiste em apenas três dimensões espaciais; era mais ou menos uma curiosidade. Mas, agora mostramos que a física quântica de Hall quadridimensional pode ser emulada usando fótons - partículas de luz - fluindo através de um pedaço de vidro intrincadamente estruturado - uma matriz de guia de ondas. "

Quando a carga elétrica é imprensada entre duas superfícies, a carga se comporta efetivamente como um material bidimensional. Quando esse material é resfriado até quase a temperatura de zero absoluto e submetido a um forte campo magnético, a quantidade que pode conduzir torna-se "quantizada" - fixada em uma constante fundamental da natureza e não pode mudar. "A quantização é impressionante porque mesmo que o material seja 'bagunçado' - isto é, tem muitos defeitos - esta 'condutância Hall' permanece extremamente estável, "disse Rechtsman." Esta robustez do fluxo de elétrons - o efeito Hall quântico - é universal e pode ser observada em muitos materiais diferentes sob condições muito diferentes. "

Esta quantização da condutância, descrito pela primeira vez em duas dimensões, não pode ser observada em um material tridimensional comum, mas em 2000, foi mostrado teoricamente que uma quantização semelhante poderia ser observada em quatro dimensões espaciais. Para modelar este espaço quadridimensional, os pesquisadores construíram matrizes de guia de ondas. Cada guia de ondas é essencialmente um tubo, que se comporta como um fio de luz. Este "tubo" é gravado em vidro de alta qualidade usando um poderoso laser.

Muitos desses guias de ondas são inscritos espaçados próximos em uma única peça de vidro para formar a matriz. Os pesquisadores usaram uma técnica desenvolvida recentemente para codificar "dimensões sintéticas" nas posições dos guias de onda. Em outras palavras, os padrões complexos das posições do guia de ondas agem como uma manifestação das coordenadas dimensionais superiores. Ao codificar duas dimensões sintéticas extras na estrutura geométrica complexa dos guias de ondas, os pesquisadores foram capazes de modelar o sistema bidimensional como tendo um total de quatro dimensões espaciais. Os pesquisadores então mediram como a luz fluía através do dispositivo e descobriram que ele se comportava precisamente de acordo com as previsões do efeito Hall quântico quadridimensional.

"Nossas observações, tomadas em conjunto com as observações usando átomos ultracold, fornecem a primeira demonstração da física quântica de alta dimensão, "disse Rechtsman." Mas como a compreensão e a sondagem da física de dimensões superiores podem ter alguma relevância para a ciência e a tecnologia em nosso mundo tridimensional? Existem vários exemplos em que esse é o caso. Por exemplo, 'quasicristais' - ligas metálicas que são cristalinas, mas não têm unidades repetitivas e são usadas para revestir algumas panelas antiaderentes - mostraram ter 'dimensões ocultas:' suas estruturas podem ser entendidas como projeções do espaço de dimensão superior para o real , mundo tridimensional. Além disso, é possível que a física de dimensões superiores possa ser usada como um princípio de design para novos dispositivos fotônicos. "