Los científicos han demostrado la capacidad de medir el impacto de los fenómenos físicos en cuatro dimensiones en experimentos realizados en un mundo tridimensional. El nuevo trabajo se basa en los descubrimientos que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2016 y puede formar la base de enfoques fundamentalmente nuevos para comprender la mecánica cuántica, así como para construir una teoría de la gravedad cuántica. En la revista Nature se publicó un artículo del equipo europeo.
El mundo que nos rodea parece tener tres dimensiones. Sin embargo, muchas teorías físicas consideran situaciones con un gran número de dimensiones: en la relatividad general hay cuatro de ellas (tres espaciales y una temporal, combinadas en un continuo), y en la teoría de supercuerdas, solo se consideran 10 direcciones espaciales independientes. El nuevo trabajo de físicos muestra la posibilidad de observar la influencia de procesos tetradimensionales en experimentos tridimensionales, que se pueden comparar figurativamente con la proyección de una sombra bidimensional por objetos tridimensionales.
Los físicos estudian un sistema de átomos ultrafríos en una trampa óptica bidimensional de rayos láser, que crea una superrejilla: la superposición de dos potenciales periódicos con períodos diferentes. En este diseño, aparece un nuevo tipo de efecto Hall cuántico, que se predice para sistemas de cuatro dimensiones. El efecto Hall habitual se produce cuando las partículas cargadas se mueven en un plano en presencia de un campo magnético. El campo actúa sobre las partículas mediante la fuerza de Lorentz, que las desvía en la dirección perpendicular al movimiento. Como resultado, aparece una diferencia de potencial transversal (relativa a la dirección original del movimiento), llamada voltaje de Hall. En 1980, Klaus von Klitzing mostróque a temperaturas muy bajas y campos magnéticos altos, este voltaje solo puede tomar ciertos valores; este descubrimiento se llama efecto Hall cuántico entero.
Más tarde resultó que la condición necesaria para la aparición del efecto Hall cuántico es precisamente la bidimensionalidad del sistema, y sus propiedades físicas específicas no son tan importantes. Esto se debe a la topología de la función de onda de la mecánica cuántica. También puede probar que un efecto similar es imposible en cuerpos tridimensionales, ya que la dirección perpendicular a la velocidad no está determinada de forma única.
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Estudios posteriores mostraron que en el caso de cuatro mediciones, debería existir un efecto similar, para el cual se predijeron varias propiedades fundamentalmente nuevas, por ejemplo, una corriente de Hall no lineal. Durante mucho tiempo, este siguió siendo un modelo teórico sin posibilidad de verificación experimental. Sin embargo, en 2013, los físicos descubrieron que el efecto Hall de cuatro dimensiones se puede sentir en un sistema bidimensional especial llamado bombas de carga topológica. Esta idea sólo ahora se ha realizado en una superrejilla óptica bidimensional especial. En él, los rayos de diferentes longitudes de onda se dirigieron a lo largo de una dirección en ángulos ligeramente diferentes y, a lo largo de la otra, la forma del potencial óptico se cambió dinámicamente al cambiar la longitud de onda de un láser adicional.
Como resultado, los átomos en dicha trampa se mueven predominantemente a lo largo de una dirección con un potencial alterno, y de manera cuántica, esto corresponde al modelo unidimensional del efecto Hall bidimensional. Sin embargo, al mismo tiempo, los físicos descubrieron un desplazamiento gradual en la dirección transversal, aunque a lo largo de él el potencial se mantuvo constante durante todo el experimento. Este movimiento corresponde a un efecto Hall 4D no lineal. Las mediciones precisas confirmaron la naturaleza cuántica del movimiento de los átomos en esta dirección, lo que muestra la naturaleza cuántica del primer fenómeno de cuatro dimensiones demostrado.
