Odkrycie czwartego wymiaru jest czymś, co w ostatnim czasie zelektryzowało świat naukowy, dla badaczy ich niezwykle znalezisko jest iście szokujące. Wyniki najnowszych badań można określić mianem co najmniej zadziwiających, gdyż na podstawie ich analizy naukowcy twierdzą, że oficjalnie udało im się zaobserwować czwarty wymiar przestrzenny.

Obserwacja została poczyniona przez badaczy pochodzących zarówno z Europy, jak i z USA.

Na podstawie wyników swoich badań ogłosili, że udało im się zaobserwować jeszcze jeden wymiar, oprócz znanych każdemu trzech występujących na osi przestrzennej.

Mimo wszystko ten czwarty dla osoby postronnej, będącej w dziedzinie zupełnym laikiem może okazać się całkowicie niezrozumiały.

Możliwość takiej obserwacji daje tzw. Efekt Halla.

W jego obrębie elektron pozostaje ograniczony do dwóch wymiarów, jednak wykorzystanie silnych pól magnetycznych w niskich temperaturach, wprawia elektron w ruch po ścieżce topologicznej, która została wcześniej ustalona. W takiej sytuacji prąd przepływa jedynie po obrzeżach materiału.

Jak na razie nie zostały zaprezentowane żadne możliwe użyteczne zastosowania dla tego konkretnego odkrycia.

Z pewnością jednak jest ono przełomowe i otwiera nowe kierunki oraz możliwości badawcze.

Co ciekawe zmianie ulega również sposób rozumienia samego ruchu.

Można stwierdzić, że na pewno doprowadzi to do lepszego poznania zagadnienia wymiarów oraz teorii strun.

Kwantowy efekt Halla

Prowadzone eksperymenty w całości oparte zostały o tzw. kwantowy efekt Halla.

Do jego pojawienia się w większości przypadków dochodzi w obrębie granicznej płaszczyzny dwóch materiałów, gdzie możliwe jest poruszanie się elektronu jedynie w dwóch wymiarach.

Na samym początku wykorzystanie pola magnetycznego prostopadłego doprowadza do wystąpienia efektu Halla – prąd, który przepływa przez materiał, podnosi swoje napięcie w kierunku prostopadłym, a im większe jest zastosowane pole magnetyczne, tym większe jest również napięcie.

Sytuacja taka wynika, z faktu, iż pole magnetyczne wytwarza siłę, która oddziałuje w kierunkach, sprzężonych z kierunkami ruchu, to tzw. siła Lorentza, i jednocześnie odpycha elektrony.

Mechanika kwantowa staje się istotna w przypadku bardzo niskich temperatur i wyjątkowo wysokich pól magnetycznych.

Można więc stwierdzić, że nie dochodzi do ciągłego zwiększania się napięcia, a raczej dyskretnego, skokowego wzrostu.

Do chwili obecnej praca eksperymentalna oraz teoretyczna dotycząca kwantowego efektu Halla, aż u trzech osób skutkowała odebraniem nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

Znaczenie topologii

Fenomen topologiczny to inne możliwe określenie i sposób rozumienia oraz postrzegania efektu Halla.

Chodzi o to, że konkretne zakresy pola magnetycznego determinują możliwość przepływania prądu po konkretnej części materiału, np. przy wartości X pola magnetycznego prąd może przepływać jedynie po jego brzegu, a nie w środku.

Prawie ćwierć wieku temu zostało wykazane matematycznie, że taki sam efekt topologiczny powinien mieć miejsce również w obrębie czterech wymiarów przestrzennych.

Jednak w tamtych czasach można to było określić mianem technologii przyszłości lub nawet science fiction, gdyż wówczas zaobserwowanie takiego czegoś w czasie eksperymentu wydawało się całkowicie niemożliwe.

Wymiary wirtualne a pompowanie topologiczne

Dzięki jednemu z naukowców udało się wprowadzić w życie sprytne rozwiązanie.

Wykorzystano tzw. pompy topologiczne, które umożliwiły dodanie wymiaru wirtualnego, do dwóch które istotnie są obecne przy kwantowym efekcie Halla.

Do pompowania topologicznego dochodzi w wyniku modulacji specyficznego kontrolowanego systemu fizycznego, odpowiada on za charakterystyczną zmianę stanu kwantowego na przestrzeni określonego czasu.

Uzyskuje się wówczas wynik ostateczny, który sprawia wrażenie, jakby system poruszał się w dodatkowym wymiarze przestrzennym.

Metoda ta pozwala na teoretycznie przemienienie dwuwymiarowego systemu w czterowymiarowy.

Obraz optyczny prezentujący czwarty wymiar

Zaprezentowanie teorii w praktyce udało się osiągnąć w dwóch niezależnie od siebie prowadzonych eksperymentach naukowych.

Zespół naukowców z Uniwersytetu w Pittsburghu, pod przewodnictwem Kevina Chena oraz zespół naukowy z Uniwersytetu Penn State pod wodzą Mikaela Rechtsmana, zrealizowali koncepcję stworzoną przez Odeda Zilberberga.

Dokonali tego, wtapiając dwuwymiarowy szereg falowodów do piętnastocentymetrowego szklanego bloku z użyciem wiązek laserowych.

Zastosowane falowody nie były proste, ich wygląd we wnętrzu szkła można przyrównać do wijącego się węża.

Rozwiązanie takie pozwoliło na uzyskanie efektu, w którym odległości pomiędzy poszczególnymi odcinkami wzdłuż całego bloku były nieregularne.

Zależnie od odległości, różne były możliwości przemieszczania się fali świetlnych, które płynęły w falowodach, na inne.

Rozmaite połączenia pomiędzy falowodami odgrywały rolę pomp topologicznych, co jednocześnie prowadziło do podwojenia wymiarów w eksperymencie z dwóch do czterech.

W tym czasie naukowcy zyskali możliwość zobaczenia oczekiwanego przez siebie czterowymiarowego kwantowego efektu Halla, dzięki dokładnej wideo rejestracji światła, jakie wpuszczali do falowodów po jednej stronie bloku i tego, co wychodziło na drugim jego końcu.

Metoda taka pozwala na bezpośrednie zaobserwowanie wyróżniających stanów krawędzi czterowymiarowego kwantowego efektu Halla, w którym światło powinno wydostawać się jedynie z falowodów znajdujących się na krawędzi siatki optycznej.

Zimne atomy w czterowymiarowym transporcie kwantowym

Stworzenie pomp topologicznych udało się również Immanuelowi Blochowi oraz jego współpracownikom z Instytutu Optyki Kwantowej Max-Planck w Monachium.

W swojej pracy zastosowali oni ekstremalnie zimne atomy, które uwięzione były w siatkach optycznych powstających w wyniku skrzyżowania wiązek laserowych.

Przeprowadzony przez nich eksperyment pozwolił na uzyskanie pompowania w wyniku cyklicznej zmiany właściwości podzielonych studni siatki, gdzie uwięzione były atomy.

Następnie badacze dokonali pomiarów dwuwymiarowego ruchu atomów w siatce, co pozwoliło im na potwierdzenie, że zachowują się one zgodnie z topologią czterowymiarowego kwantowego efektu Halla.

Zyskali przede wszystkim możliwość bezpośredniego obejrzenia skwantowanego zjawiska transportu, które w takiej sytuacji powinno mieć miejsce.

Czwarty wymiar a praktyka

Na chwilę obecną odkrycie nie daje żadnych praktycznych zastosowań.

Możliwe jest jednak znaczące rozwinięcie badań w wielu zakresach.

Fizycy zyskali możliwość analizowania w formie doświadczalnej fenomenu czterech i więcej wymiarów, a nie jedynie na papierze, ale nie tylko, ma ono również zastosowanie w teorii strun.

Czy można więc przypuszczać, że stanie się podstawą do kolejnych wielkich odkryć i posypią się nagrody Nobla w dziedzinie fizyki?

Czas pokaże.

WSPARCIE NIEZALEŻNYCH PORTALI

*Niebieską czcionką zaznaczono odnośniki np. do badań, tekstów źródłowych lub artykułów powiązanych tematycznie.