物理學(xué)家曾建立了一個(gè)二維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使其能夠研究理論上只存在于四維空間的物理性質(zhì)。來自美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、匹茲堡大學(xué)和以色列霍隆理工學(xué)院的國際研究小組最近證明，在二維“波導(dǎo)”陣列中，光子的行為可與四維“量子霍爾效應(yīng)”的預(yù)測相一致。該研究論文發(fā)表在《自然》科學(xué)雜志上，而德國另一研究小組的論文指出，類似的機(jī)制可用來使超冷原子氣體展現(xiàn)四維量子霍爾效應(yīng)。

研究表明，可利用光子穿過波導(dǎo)陣列模仿四維量子霍爾物理。當(dāng)電荷夾在兩個(gè)表面之間時(shí)表現(xiàn)得像一個(gè)二維材料，而當(dāng)這種材料冷卻到接近絕對(duì)零度并受到強(qiáng)磁場作用時(shí)，其能夠傳導(dǎo)的電量“量子化”，即固定在一個(gè)自然常數(shù)上不能改變。即使材料有很多缺陷，但“霍爾電導(dǎo)”仍保持十分穩(wěn)定，且量子霍爾效應(yīng)非常普遍，許多不同材料在不同條件都會(huì)發(fā)生。

為模擬四維空間，研究人員建造了波導(dǎo)陣列，每個(gè)波導(dǎo)是一根類似光纖的管子，利用強(qiáng)大激光在高品質(zhì)玻璃上雕刻而成。研究人員在同一塊玻璃上緊密地雕刻多個(gè)波導(dǎo)以形成陣列，并使用新技術(shù)將“合成維度”編碼到波導(dǎo)的位置上，即通過波導(dǎo)位置的復(fù)雜圖案展現(xiàn)高維坐標(biāo)，將兩個(gè)額外的合成維度編碼到波導(dǎo)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中，將二維系統(tǒng)建模為四維空間。研究人員隨后測量光線是如何通過波導(dǎo)陣列的，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)與四維量子霍爾效應(yīng)的預(yù)測完全相符。

該研究的觀察和超冷原子觀測一起，第一次展示了高維量子霍爾物理。未來，更高維度的物理學(xué)不僅可以用來解釋“準(zhǔn)晶”等合金材料，而且可以用作新型光子器件的設(shè)計(jì)原理。