新突破！ 二维实验系统成功应用于四维材料研究

▲光通过二维波导阵列的图示

据2018年1月4日的《自然》期刊发表的一篇论文透露，日前物理学家第一次建立了一个二维的实验系统，该系统能够用于研究原来在理论上只存在于四维空间中的材料的物理性质。

由分别来自美国宾夕法尼亚州立大学、瑞士苏黎世联邦理工学院、美国匹兹堡大学以及以色列奥隆理工学院的研究人员组成的跨国研究小组已经证实，光粒子在二维波导阵列中的物理特性经过操纵可以与四维的量子霍尔效应的预测结果相吻合，而“量子霍尔效应”这一现象曾是之前三项诺贝尔物理学获奖研究的重要基础。另外，一份来自德国的独立研究小组的论文还表明，通过一种类似的机制可以制造出一种也能产生四维量子霍尔物理效应的超冷原子气体。

“理论上，量子霍尔效应可以在四维空间中观察到，”物理学助理教授、论文作者之一迈克尔·瑞兹曼（Mikael Rechtsman）介绍道。“这项研究被认为纯粹是出于对理论研究的兴趣，因为现实世界中只有三个空间维度，所以这或多或少算是一种奇异的发现。但是我们现在已经证明，四维的量子霍尔物理效应可以通过让光子（光的粒子）通过一个名为波导阵列的复杂玻璃结构来模拟。

当电荷被夹在两个物质表面之间时，电荷的特性趋近于二维物质材料。当这种材料冷却到接近于绝对零度并受到强烈磁场的影响时，它所能传导的电量就被“量子化”了，这就意味它被固定为自然基本常数，无法改变。

“量子化的效果是惊人的，因为即使物质材料是‘凌乱的’，换句话说，即使它有很多缺陷，该‘霍尔电导性’依然非常稳定。”瑞兹曼说。“电子流的这种稳健性被称为量子霍尔效应，是宇宙中普遍存在的，并且可以在许多不同的情况下和许多不同的材料中观察到。”

这种电导性的量子化，首先是在二维空间中被描摹出来，而不能在普通的三维材料中观察到。但是，早在2000年研究人员就在理论上论证了四维空间中也可以观察到类似的量子化过程的假设。为了模拟这种四维空间，研究人员建立了一组波导阵列。每个波导实质上就是一根管子，它的作用就好似一根传导光的电线，而这根“管子”本身是用强烈的激光在高质量的玻璃中雕刻而成的。

“通过对超冷原子的一系列观测，我们的观察结果首次证实了更高维度中的量子霍尔物理效应。”瑞兹曼说。“但是，理解和探索更高维度中的物理现象与我们三维世界中的科学技术如何相关联起来呢？这里就有很多例子。例如，“准晶体”是一种晶体状但却无重复链段的金属合金，它通常被用于不粘锅的表面，目前已经证明它就具有“隐藏的维度”，它们的物理结构可以被理解为从更高维的空间投射到真实三维世界的投影。此外，更高维的物理学也有可能被用作开发新型光子器件所依照的设计原理。

参考文献：Oded Zilberberg, Sheng Huang, Jonathan Guglielmon, Mohan Wang, Kevin P. Chen, Yaacov E. Kraus, Mikael C. Rechtsman. Photonic topological boundary pumping as a probe of 4D quantum Hall physics. Nature, 2018; 553 (7686): 59 DOI: 10.1038/nature25011

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  编译：朱明逸  审稿：阿淼  编辑：张梦

来源：https://www.sciencedaily.com