Tutkijat ovat osoittaneet kyvyn mitata fyysisten ilmiöiden vaikutusta neljässä ulottuvuudessa kolmiulotteisen maailman kokeisiin. Uusi teos perustuu fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2016 myöntämiin löytöihin, ja siitä voi tulla perusta pohjimmiltaan uusille lähestymistavoille kvanttimekaniikan ymmärtämisessä sekä kvanttipainovoiman teorian rakentamiselle. Eurooppalaisen tiimin artikkeli julkaistiin Nature-lehdessä.
Ympärillämme olevalla maailmalla näyttää olevan kolme ulottuvuutta. Kuitenkin monet fysikaaliset teoriat käsittelevät tilanteita, joissa on paljon ulottuvuuksia: yleensä suhteellisuusteoriaa on neljä (kolme spatiaalista ja yksi ajallinen, yhdistettynä yhdeksi jatkuvuudeksi), ja supersankariteoriassa otetaan huomioon vain 10 spatiaalista itsenäistä suuntaa. Fyysikkojen uusi työ osoittaa mahdollisuuden tarkkailla nelidimensionaalisten prosessien vaikutusta kolmiulotteisiin kokeisiin, joita voidaan kuvaannollisesti verrata kolmiulotteisten esineiden kaksiulotteisen varjon heittämiseen.
Fyysikot tutkivat ultrakylmien atomien järjestelmää kaksiulotteisessa optisessa lasersäteiden loukussa, mikä luo superhilan - kahden jaksollisen jaksollisen potentiaalin päällekkäisyyden. Tässä suunnittelussa ilmestyy uudentyyppinen kvantti-Hall-vaikutus, joka ennustetaan nelidimensionaalisille järjestelmille. Tavallinen Hall-ilmiö tapahtuu, kun varatut hiukkaset liikkuvat tasossa magneettikentän läsnä ollessa. Kenttä vaikuttaa hiukkasiin Lorentz-voimalla, joka taipuu ne suuntaan, joka on kohtisuorassa liikkeeseen. Seurauksena on poikittainen (suhteessa alkuperäiseen liikesuuntaan) potentiaaliero, jota kutsutaan Hall-jännitteeksi. Vuonna 1980 Klaus von Klitzing näyttiettä hyvin matalissa lämpötiloissa ja korkeilla magneettikentillä tämä jännite voi saada vain tietyt arvot - tätä löydöstä kutsutaan kokonaislukukvantti-Hall-vaikutukseksi.
Myöhemmin kävi ilmi, että välttämätön edellytys kvantti-Hall-ilmiön esiintymiselle on nimenomaan järjestelmän kaksiulotteisuus, eikä sen spesifiset fysikaaliset ominaisuudet ole niin tärkeitä. Tämä johtuu kvanttimekaanisen aaltofunktion topologiasta. Voidaan myös todistaa, että tällainen vaikutus on mahdoton kolmiulotteisissa kappaleissa, koska nopeuteen kohtisuoraa suuntaa ei ole määritelty yksiselitteisesti.
Myöhemmät tutkimukset osoittivat, että neljän mittauksen tapauksessa samanlaisen vaikutuksen pitäisi olla, jolle ennustettiin joukko pohjimmiltaan uusia ominaisuuksia, esimerkiksi epälineaarinen Hall-virta. Pitkään tämä pysyi teoreettisena mallina ilman mahdollisuutta tarkistaa kokeessa. Kuitenkin vuonna 2013 fyysikot tajusivat, että nelidimensionaalinen Hall-vaikutus voidaan tuntea erityisessä kaksiulotteisessa järjestelmässä, jota kutsutaan topologisiksi latauspumpuiksi. Tämä ajatus on vasta nyt toteutettu erityisessä kaksiulotteisessa optisessa superhellessä. Siinä eri aallonpituuden säteitä suunnattiin pitkin toista suuntaa hieman eri kulmissa, ja toista pitkin optisen potentiaalin muotoa muutettiin dynaamisesti siirtämällä lisälaserin aallonpituutta.
Tämän seurauksena atomit tällaisessa loukussa liikkuvat pääasiassa suuntaan, jolla on vaihteleva potentiaali, ja kvanttitavalla, joka vastaa kaksiulotteisen Hall-vaikutuksen yksiulotteista mallia. Kuitenkin samaan aikaan fyysikot löysivät asteittaisen siirtymän poikittaissuunnassa, vaikka sitä pitkin potentiaali pysyi vakiona koko kokeen ajan. Tämä liike vastaa epälineaarista 4D Hall -efektiä. Tarkat mittaukset vahvistivat atomien tässä suunnassa tapahtuvan liikkeen kvanttisen luonteen, mikä osoittaa ensimmäisen osoitetun nelidimensionaalisen ilmiön kvanttiluonteen.