Per la prima volta, i fisici hanno costruito un sistema sperimentale bidimensionale che consente loro di studiare le proprietà fisiche dei materiali che si pensava esistessero solo nello spazio quadridimensionale. Un team internazionale di ricercatori della Penn State, ETH Zurigo in Svizzera, l'Università di Pittsburgh, e l'Holon Institute of Technology in Israele hanno dimostrato che il comportamento delle particelle di luce può corrispondere alle previsioni sulla versione quadridimensionale dell'"effetto Hall quantistico", un fenomeno che è stato alla base di tre premi Nobel in fisica, in una serie bidimensionale di "guide d'onda".

Un documento che descrive la ricerca appare il 4 gennaio 2018 sulla rivista Natura insieme a un documento di un gruppo separato dalla Germania che mostra che un meccanismo simile può essere utilizzato per fare in modo che un gas di atomi ultrafreddi mostri anche la fisica quantistica quadridimensionale.

"Quando è stato teorizzato che l'effetto Hall quantistico potesse essere osservato nello spazio quadridimensionale, " ha detto Mikael Rechtsman, assistente professore di fisica e autore dell'articolo, "era considerato di interesse puramente teorico perché il mondo reale consiste di sole tre dimensioni spaziali; era più o meno una curiosità. Ma, abbiamo ora dimostrato che la fisica quantistica quadridimensionale della Hall può essere emulata usando fotoni, particelle di luce, che fluiscono attraverso un pezzo di vetro dalla struttura intricata, una matrice di guide d'onda".

Quando la carica elettrica è racchiusa tra due superfici, la carica si comporta effettivamente come un materiale bidimensionale. Quando quel materiale viene raffreddato fino a una temperatura prossima allo zero assoluto e sottoposto a un forte campo magnetico, la quantità che può condurre diventa "quantizzata", fissata a una costante fondamentale della natura e non può cambiare. "La quantizzazione è sorprendente perché anche se il materiale è 'disordinato', cioè, ha molti difetti:questa "conduttanza di Hall" rimane estremamente stabile, " ha detto Rechtsman. "Questa robustezza del flusso di elettroni - l'effetto Hall quantistico - è universale e può essere osservata in molti materiali diversi in condizioni molto diverse".

Questa quantizzazione della conduttanza, descritto per la prima volta in due dimensioni, non può essere osservato in un materiale tridimensionale ordinario, ma nel 2000 è stato dimostrato teoricamente che una quantizzazione simile può essere osservata in quattro dimensioni spaziali. Per modellare questo spazio quadridimensionale, i ricercatori hanno costruito array di guide d'onda. Ogni guida d'onda è essenzialmente un tubo, che si comporta come un filo per la luce. Questo "tubo" è inciso attraverso un vetro di alta qualità utilizzando un potente laser.

Molte di queste guide d'onda sono iscritte a distanza ravvicinata attraverso un singolo pezzo di vetro per formare l'array. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica sviluppata di recente per codificare "dimensioni sintetiche" nelle posizioni delle guide d'onda. In altre parole, i complessi schemi delle posizioni delle guide d'onda agiscono come una manifestazione delle coordinate di dimensione superiore. Codificando due dimensioni sintetiche extra nella complessa struttura geometrica delle guide d'onda, i ricercatori sono stati in grado di modellare il sistema bidimensionale con un totale di quattro dimensioni spaziali. I ricercatori hanno quindi misurato il flusso di luce attraverso il dispositivo e hanno scoperto che si comportava esattamente secondo le previsioni dell'effetto Hall quantistico quadridimensionale.

"Le nostre osservazioni, prese insieme alle osservazioni utilizzando atomi ultrafreddi, fornire la prima dimostrazione della fisica quantistica a più dimensioni, " ha detto Rechtsman. "Ma come può la comprensione e l'analisi della fisica di dimensioni superiori avere una certa rilevanza per la scienza e la tecnologia nel nostro mondo tridimensionale? Ci sono un certo numero di esempi in cui questo è il caso. Per esempio, È stato dimostrato che i "quasicristalli" - leghe metalliche che sono cristalline ma non hanno unità ripetitive e sono usate per rivestire alcune padelle antiaderenti - hanno "dimensioni nascoste":le loro strutture possono essere intese come proiezioni dallo spazio di dimensioni superiori nel reale , mondo tridimensionale. Per di più, è possibile che la fisica di dimensioni superiori possa essere utilizzata come principio di progettazione per nuovi dispositivi fotonici".