运用二维设备实验,科学家成功观测到四维量子霍尔效应

作者 | 发布日期 2018 年 01 月 12 日 8:59 | 分类 尖端科技 , 科技教育
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【Technews科技新报】对于生活在三维空间的人类来说,我们所能做的,就是上下左右、前进后退的体验这个世界(外加一个时间维度),但近期两个物理实验室展示的论文指出,他们已经找到了“展示”第四个空间维度的方法。



这并不是说它们已经找到四维空间,而是这两个团队在两种不同的二维设备实验中,观察到“四维量子霍尔效应”(4D quantum Hall effect)的存在。

这些实验对于基础科学有着相当重要的意义,因为这代表可能将有机会让工程师在这个相对低维的世界中,透过特定的方式了解到更高维度的物理学。

研究作者之一、宾州州立大学(Penn State)教授 Mikael Rechtsman 指出,虽然物理上并没有 4D 的空间系统,但透过高维度系统被编码的结构复杂性,我们仍有机会运用这个低维系统来接触 4D 量子霍尔物理。

“也许在对更高维度的理解中,我们可以提出新的物理学,并运用其中的优势设计设备给低维度的使用。”

但是这要怎么做到呢?毕竟作为三维生物,我们只能用数学来描述四维空间,而无法透过物理上来实现,但研究团队认为,或许还有其他方式也能做到。

试着想想:即使是三维图形,仍会在平面上留下二维的阴影,而通过观察这个影子,便能稍微收集一些有关三维图形的资讯,研究人员因此认为,也许通过观察一些现实世界的物理系统,我们也可以从中找到一些低维度的“阴影”,借此来了解四维世界的性质。

从数学来看,量子霍尔效应(FQHE)产生的其他后果,应该可以在四维空间系统中的测量中找出答案。但同样的,我们并没有四维空间能够测试这个物理。

但根据刊登在《自然》期刊上的论文显示,两个团队都成功克服了这项障碍。

在欧洲的研究中,透过运用激光光将铷(Rb)原子困在二维空间,研究团队创造出一种类似二维量子电荷泵(charge pump)效果,能模拟出电荷传输的情况(原子不带电),并运用这个系统测量到“第二陈氏数”(second Chern number),象徵着四维空间效应的存在。

而宾州大学由 Rechtsman 领导的团队,则是借由波导(Waveguide)对光线进行控制,透过耦合的光纤与特殊玻璃模拟出电场对带电粒子的影响,观察到光线跳到设备边缘及角落的情况,即与 4D 量子霍尔效应相关的物理效应。

简单来说,欧洲团队正在研究大多数物理系统中的四维效应,而Rechtsman 领导的团队则在研究同一个系统中的边缘效应。

尽管这两项实验并不是真正的四维系统,只是能够展示“特定效应在四维空间中发生的效果会是如何”的高精密设备,但两个团队都表示将会继续这项研究。

欧洲团队的负责人、德国慕尼黑大学(LMU Munich)Michael Lohse 希望这项系统可以支持那些更“狂野”的物理学研究,像是量子重力(quantum gravity)和外尔费米子(Weyl semimetal)。

而 Rechtsman 则认为透过研究,更高维度的优势或许能带领其他光子元件发展,甚至有机会在其他材料中发现类似的效应。

虽然并不完全相同,但两个实验都证实了四维系统中量子霍尔效应的存在,Lohse 认为,两个实验分别从不同角度提供了全新的理解,“我认为这两个实验都很好的完整了另一方。”

(首图来源:宾州大学 Rechtsman laboratory

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Nana Ho

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