運用二維裝置實驗,科學家成功觀測到四維量子霍爾效應

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 11 日 21:00 | 分類 尖端科技 , 科技教育 follow us in feedly

對於生活在三維空間的人類來說,我們所能做的,就是上下左右、前進後退的體驗這個世界(外加一個時間維度),但近期兩個物理實驗室展示的論文指出,他們已經找到了「展示」第四個空間維度的方法。



這並不是說它們已經找到四維空間,而是這兩個團隊在兩種不同的二維裝置實驗中,觀察到「四維量子霍爾效應」(4D quantum Hall effect)的存在。

這些實驗對於基礎科學有著相當重要的意義,因為這代表可能將有機會讓工程師在這個相對低維的世界中,透過特定的方式了解到更高維度的物理學。

研究作者之一、賓州州立大學(Penn State)教授 Mikael Rechtsman 指出,雖然物理上並沒有 4D 的空間系統,但透過高維度系統被編碼的結構複雜性,我們仍有機會運用這個低維系統來接觸 4D 量子霍爾物理。

「也許在對更高維度的理解中,我們可以提出新的物理學,並運用其中的優勢設計裝置給低維度的使用。」

但是這要怎麼做到呢?畢竟作為三維生物,我們只能用數學來描述四維空間,而無法透過物理上來實現,但研究團隊認為,或許還有其他方式也能做到。

試著想想:即使是三維圖形,仍會在平面上留下二維的陰影,而通過觀察這個影子,便能稍微收集一些有關三維圖形的資訊,研究人員因此認為,也許通過觀察一些現實世界的物理系統,我們也可以從中找到一些低維度的「陰影」,藉此來了解四維世界的性質。

從數學來看,量子霍爾效應(FQHE)產生的其他後果,應該可以在四維空間系統中的測量中找出答案。但同樣的,我們並沒有四維空間能夠測試這個物理。

但根據刊登在《自然》期刊上的論文顯示,兩個團隊都成功克服了這項障礙。

在歐洲的研究中,透過運用雷射光將銣(Rb)原子困在二維空間,研究團隊創造出一種類似二維量子電荷泵(charge pump)效果,能模擬出電荷傳輸的情況(原子不帶電),並運用這個系統測量到「第二陳氏數」(second Chern number),象徵著四維空間效應的存在。

(Source:賓州大學 Rechtsman laboratory

而賓州大學由 Rechtsman 領導的團隊,則是藉由波導(Waveguide)對光線進行控制,透過耦合的光纖與特殊玻璃模擬出電場對帶電粒子的影響,觀察到光線跳到裝置邊緣及角落的情況,即與 4D 量子霍爾效應相關的物理效應。

簡單來說,歐洲團隊正在研究大多數物理系統中的四維效應,而Rechtsman 領導的團隊則在研究同一個系統中的邊緣效應。

儘管這兩項實驗並不是真正的四維系統,只是能夠展示「特定效應在四維空間中發生的效果會是如何」的高精密裝置,但兩個團隊都表示將會繼續這項研究。

歐洲團隊的負責人、德國慕尼黑大學(LMU Munich)Michael Lohse 希望這項系統可以支持那些更「狂野」的物理學研究,像是量子重力(quantum gravity)和外爾費米子(Weyl semimetal)。

而 Rechtsman 則認為透過研究,更高維度的優勢或許能帶領其他光子元件發展,甚至有機會在其他材料中發現類似的效應。

雖然並不完全相同,但兩個實驗都證實了四維系統中量子霍爾效應的存在,  Lohse 認為,兩個實驗分別從不同角度提供了全新的理解,「我認為這兩個實驗都很好的完整了另一方。」

(首圖來源:shutterstock)