Tính chất của một vật liệu 4D giả thuyết đã được mô phỏng trong các thí nghiệm của hai đội vật lí quốc tế. Một đội sử dụng ánh sáng để giả lập hiệu ứng Hall lượng tử (QHE) 4D, còn đội kia thực hiện nó với các nguyên tử cực lạnh.
Hiệu ứng Hall lượng tử từng là đề tài của một số giải Nobel và nó xảy ra ở những lớp dẫn điện rất mỏng về cơ bản có bản chất 2D. Khi những vật liệu như thế được làm lạnh xuống gần không độ tuyệt đối và chịu một từ trường mạnh, sự dẫn điện của nó bị lượng tử hóa và chỉ có thể biến thiên theo những bước rời rạc. QHE là một tính chất chung của các chất dẫn điện 2D và có thể nhìn thấy ở nhiều vật liệu đa dạng – thậm chí khi các mẩu chất bị mất trật tự.
Trong khi QHE không xảy ra ở các vật liệu 3D, thì vào năm 2001 các nhà vật lí dự đoán nó cũng có thể xảy ra trong các hệ có bốn chiều không gian. Nhưng tự nhiên chỉ có ba chiều không gian, cho nên ý tưởng QHE 4D chỉ là một cái mới trên lí thuyết mà thôi – mãi cho đến bây giờ.
Hình minh họa ánh sáng truyền qua ma trận dẫn sóng 2D do nhóm Mikael Rechtsman tạo ra. Ảnh: Phòng thí nghiệm Rechtsman, ĐH Pennsylvania
Mikael Rechtsman tại Đại học quốc gia Pennsylvania và các đồng sự đã xây dựng hệ QHE 4D của họ từ một ma trận 2D của các bộ dẫn sóng quang học. Bộ dẫn sóng là những ống không gian kín được khắc qua một miếng thủy tinh bằng một laser mạnh (xem hình). Bằng cách thận trọng bố trí các bộ dẫn sóng thành ma trận, đội đã tạo ra “các chiều tổng hợp” bổ sung giả lập một vật liệu 4D.
Trong hệ của họ, ánh sáng giữ vai trò của dòng điện và đội đã chứng minh được rằng sự truyền ánh sáng qua mạng giống hệt như cái xảy ra trong một hệ QHE 4D.
Trong khi đó, tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Munich, Immanuel Bloch và các đồng sự tạo ra các chiều tổng hợp giống như vậy bằng cách sử dụng một ma trận 2D của các nguyên tử cực lạnh bị bẫy bằng các chùm laser giao nhau. Đội của Bloch bắt đầu với một ma trận vuông đồng đều của các nguyên tử. Sau đó họ bật các chùm laser bổ sung trong mặt phẳng ma trận, chúng nằm lệch ngoài trục đối xứng của ma trận. Cách này tạo ra một siêu mạng phức tạp trong đó các nguyên tử chuyển động như được mô tả bởi QHE 4D.
Cả hai đội đều có sự tham gia của Oded Zibelberg thuộc trường ETH Zurich, người đã phát triển cơ sở lí thuyết cho việc tạo ra một hệ QHE 4D trong những hệ 2D đặc biệt.
Rechtsman tin rằng các mô phỏng QHE 4D không đơn giản chỉ là sự hiếu kì bí ẩn mà chúng còn có thể có ứng dụng thực tiễn. Ông cho biết rằng giả tinh thể - những vật liệu là tinh thể nhưng không có các ô đơn vị lặp lại – có thể có “các chiều ẩn náu”. Theo ông, cấu trúc của chúng “có thể được hiểu là các hình chiếu từ không gian cao chiều hơn sang một thế giới thực 3D.” Ông còn nói nền vật lí cao chiều hơn này có thể hình thành cơ sở cho những loại dụng cụ quang lượng tử mới.
Các mô phỏng QHE 4D được mô tả trong hai bài báo đăng trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
