Wissenschaftler haben die Fähigkeit demonstriert, den Einfluss physikalischer Phänomene in vier Dimensionen auf Experimente in einer dreidimensionalen Welt zu messen. Die neue Arbeit baut auf den Entdeckungen auf, die der Nobelpreis für Physik für 2016 verliehen hat, und kann die Grundlage für grundlegend neue Ansätze zum Verständnis der Quantenmechanik sowie zum Aufbau der Theorie der Quantengravitation werden. Ein Artikel des europäischen Teams wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Die Welt um uns herum scheint drei Dimensionen zu haben. Viele physikalische Theorien betrachten jedoch Situationen mit einer großen Anzahl von Dimensionen: In der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es vier davon (drei räumliche und eine zeitliche, kombiniert zu einem Kontinuum), und in der Superstringtheorie werden nur 10 räumlich unabhängige Richtungen berücksichtigt. Die neue Arbeit der Physiker zeigt die Möglichkeit, den Einfluss vierdimensionaler Prozesse auf dreidimensionale Experimente zu beobachten, die bildlich mit dem Werfen eines zweidimensionalen Schattens durch dreidimensionale Objekte verglichen werden können.
Physiker untersuchen ein System ultrakalter Atome in einer zweidimensionalen optischen Falle von Laserstrahlen, die ein Übergitter erzeugt - die Überlagerung zweier periodischer Potentiale mit unterschiedlichen Perioden. In diesem Entwurf erscheint eine neue Art von Quanten-Hall-Effekt, der für vierdimensionale Systeme vorhergesagt wird. Der übliche Hall-Effekt tritt auf, wenn sich geladene Teilchen in Gegenwart eines Magnetfelds in einer Ebene bewegen. Das Feld wirkt durch die Lorentzkraft auf die Teilchen, die sie in einer Richtung senkrecht zur Bewegung ablenkt. Infolgedessen erscheint eine transversale Potentialdifferenz (relativ zur ursprünglichen Bewegungsrichtung), die als Hall-Spannung bezeichnet wird. 1980 zeigte Klaus von Klitzingdass diese Spannung bei sehr niedrigen Temperaturen und hohen Magnetfeldern nur bestimmte Werte annehmen kann - diese Entdeckung wird als ganzzahliger Quanten-Hall-Effekt bezeichnet.
Später stellte sich heraus, dass die notwendige Bedingung für das Auftreten des Quanten-Hall-Effekts genau die Zweidimensionalität des Systems ist und seine spezifischen physikalischen Eigenschaften nicht so wichtig sind. Dies liegt an der Topologie der quantenmechanischen Wellenfunktion. Es kann auch nachgewiesen werden, dass ein solcher Effekt in dreidimensionalen Körpern unmöglich ist, da die Richtung senkrecht zur Geschwindigkeit nicht eindeutig bestimmt wird.
Nachfolgende Studien zeigten, dass bei vier Messungen ein ähnlicher Effekt vorliegen sollte, für den eine Reihe grundlegend neuer Eigenschaften vorhergesagt wurden, beispielsweise ein nichtlinearer Hallstrom. Dies blieb lange Zeit ein theoretisches Modell ohne die Möglichkeit einer experimentellen Verifikation. Im Jahr 2013 stellten Physiker jedoch fest, dass der vierdimensionale Hall-Effekt in einem speziellen zweidimensionalen System zu spüren ist, das als topologische Ladungspumpen bezeichnet wird. Diese Idee wurde erst jetzt in einem speziellen zweidimensionalen optischen Übergitter verwirklicht. Darin wurden Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen in einer Richtung unter leicht unterschiedlichen Winkeln gerichtet, und entlang der anderen wurde die Form des optischen Potentials durch Verschieben der Wellenlänge eines zusätzlichen Lasers dynamisch geändert.
Infolgedessen bewegen sich Atome in einer solchen Falle vorwiegend in einer Richtung mit Wechselpotential und quantenweise - dies entspricht dem eindimensionalen Modell des zweidimensionalen Hall-Effekts. Gleichzeitig entdeckten die Physiker jedoch eine allmähliche Verschiebung in Querrichtung, obwohl das Potential während des gesamten Experiments konstant blieb. Diese Bewegung entspricht einem nichtlinearen 4D-Hall-Effekt. Präzise Messungen bestätigten die Quantennatur der Bewegung von Atomen in dieser Richtung, die die Quantennatur des ersten nachgewiesenen vierdimensionalen Phänomens zeigt.
