Se ha observado un efecto cuántico 4D teórico a través del uso inteligente de la tecnología 2D y las "dimensiones sintéticas".
Andrew Masterson informa.
Ilustración de la luz que pasa a través de una matriz bidimensional de guía de ondas. Crédito de la imagen: RECHTSMAN LABORATORY, PENN STATE UNIVERSITY
Por Andrew Masterson, para Cosmos Magazine Enero 4 de 2018
La expresión cuatridimensional de un fenómeno cuántico importante se ha observado utilizando un modelo bidimensional.
El efecto Hall cuántico (QHE), un resultado mecánico cuántico que surge de los electrones confinados en un espacio bidimensional a muy bajas temperaturas e influenciado por un fuerte campo magnético, ha sido fundamental para al menos dos premios Nobel, en 1985 y 1998.
Modelar el QHE es un enfoque popular de investigación porque permite obtener información sobre los estados de fondo desordenados cuánticos y los fluidos cuánticos incompresibles. Durante mucho tiempo, sin embargo, los cálculos indicaron que las funciones de onda específicas utilizadas para describirlo eran exclusivas de los espacios bidimensionales.
Sin embargo, en 2001 el físico estadounidense Shou-Cheng Zhang de la Universidad de Stanford y su colega Jiangping Hu de la Universidad Tsinghua de China mostraron que el QHE también surgió en un espacio tetradimensional teórico.
Fue un ejercicio inteligente en matemáticas, pero de poco uso práctico. Hasta ahora.
"Cuando se teorizó que el efecto Hall cuántico se podía observar en el espacio tetradimensional", dijo Mikael Rechtsman, físico de la Universidad Estatal de Pensilvania en los EE. UU., "Se consideró de interés puramente teórico porque el mundo real consiste en solo tres dimensiones espaciales; era más o menos una curiosidad ".
Ahora, sin embargo, Rechtsman y sus colegas han logrado demostrar el efecto en cuatro dimensiones, creando "tubos" de vidrio bidimensionales generados por láser, denominados guías de ondas, e inscribiéndolos de tal manera que muestran atributos dimensionales "sintéticos" adicionales .
La investigación se publica en la revista Nature.
En dos dimensiones, el QHE surge cuando los electrones se intercalan entre dos superficies, se enfrían justo por encima del cero absoluto y se bañan en un fuerte campo magnético. La capacidad de los electrones para conducir la carga se cuantifica (se fija a ciertas constantes) y lo hace independientemente de cualquier defecto o "desorden" dentro del sistema.
"Esta robustez del flujo de electrones, el efecto Hall cuántico, es universal y se puede observar en muchos materiales diferentes en condiciones muy diferentes", dice Rechtsman.
Sin embargo, no puede suceder en tres dimensiones. Cuatro es un asunto diferente.
"Ahora hemos demostrado que la física cuadrática cuántica tetradimensional puede emularse usando fotones, partículas de luz que fluyen a través de una pieza de vidrio estructurada intrincadamente, una matriz de guías de ondas", explica Rechtsman.
Para hacer la matriz, los investigadores grabaron con láser docenas de tubos apretados a través de un trozo de vidrio. Cada tubo actúa efectivamente como un cable a lo largo del cual viajan los fotones.
Los tubos se mejoraron aún más mediante la adición de dimensiones sintéticas inscritas, dando como resultado un patrón muy complejo en todos los casos. En efecto, el sistema bidimensional tenía un total de cuatro dimensiones espaciales.
Cuando los investigadores midieron el comportamiento de los fotones bombeados a través de la matriz de guías de ondas, se comportaron exactamente de la misma manera que el modelo QHE teórico tetradimensional predijo. El resultado, dice Rechtsman, es "la primera demostración de la física del espacio cuántico de dimensión superior".
Los investigadores dicen que sus resultados eventualmente podrían tener implicaciones para el diseño de nuevos dispositivos fotónicos.
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