物理學家曾建立了一個二維實驗系統(tǒng)，使其能夠研究理論上只存在于四維空間的物理性質。來自美國賓夕法尼亞州立大學、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院、匹茲堡大學和以色列霍隆理工學院的國際研究小組最近證明，在二維“波導”陣列中，光子的行為可與四維“量子霍爾效應”的預測相一致。該研究論文發(fā)表在《自然》科學雜志上，而德國另一研究小組的論文指出，類似的機制可用來使超冷原子氣體展現(xiàn)四維量子霍爾效應。

    研究表明，可利用光子穿過波導陣列模仿四維量子霍爾物理。當電荷夾在兩個表面之間時表現(xiàn)得像一個二維材料，而當這種材料冷卻到接近絕對零度并受到強磁場作用時，其能夠傳導的電量“量子化”，即固定在一個自然常數上不能改變。即使材料有很多缺陷，但“霍爾電導”仍保持十分穩(wěn)定，且量子霍爾效應非常普遍，許多不同材料在不同條件都會發(fā)生。

    為模擬四維空間，研究人員建造了波導陣列，每個波導是一根類似光纖的管子，利用強大激光在高品質玻璃上雕刻而成。研究人員在同一塊玻璃上緊密地雕刻多個波導以形成陣列，并使用新技術將“合成維度”編碼到波導的位置上，即通過波導位置的復雜圖案展現(xiàn)高維坐標，將兩個額外的合成維度編碼到波導的復雜幾何結構中，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陣列的，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)與四維量子霍爾效應的預測完全相符。

    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，更高維度的物理學不僅可以用來解釋“準晶”等合金材料，而且可以用作新型光子器件的設計原理。