Físicos han construido un sistema experimental bidimensional que les permite estudiar las propiedades físicas de materiales teorizados que existen solo en el espacio de cuatro dimensiones.

Un equipo internacional de investigadores de Penn State, ETH Zurich en Suiza, la Universidad de Pittsburgh y el Holon Institute of Technology en Israel han demostrado que el comportamiento de las partículas de luz puede hacerse coincidir con las predicciones sobre la versión tetradimensional del «efecto Hall cuántico», un fenómeno que ha estado en la raíz de tres Premios Nobel de Física, en una matriz bidimensional de «guías de onda».

Un artículo que describe la investigación aparece el 4 de enero de 2018 en la revista Nature junto con un documento de un grupo separado de Alemania que muestra que un mecanismo similar puede usarse para hacer que un gas de átomos ultrafríos muestre física de Hall cuántica tetradimensional también.

«Cuando se teorizó que el efecto Hall cuántico se podía observar en el espacio tetradimensional», dijo Mikael Rechtsman, profesor asistente de física y autor del artículo, «se consideró de interés puramente teórico porque el mundo real consiste en de solo tres dimensiones espaciales, era más o menos una curiosidad. Pero, ahora hemos demostrado que la física cuántica cuatridimensional puede emularse usando fotones, partículas de luz, que fluyen a través de una pieza de vidrio intrincadamente estructurada –una matriz de guía de onda–«.

Cuando la carga eléctrica se intercala entre dos superficies, la carga se comporta de manera efectiva como un material bidimensional. Cuando ese material se enfría hasta casi el cero absoluto y se somete a un fuerte campo magnético, la cantidad que puede conducir se «cuantifica», se fija a una constante fundamental de la naturaleza y no puede cambiar. «La cuantificación es llamativa porque incluso si el material está ‘desordenado’, es decir, tiene muchos defectos, esta ‘conductancia de Hall’ permanece extremadamente estable», dijo Rechtsman en un comunicado. «Esta robustez del flujo de electrones, el efecto Hall cuántico, es universal y se puede observar en muchos materiales diferentes en condiciones muy diferentes».

Esta cuantificación de la conductancia, descrita por primera vez en dos dimensiones, no se puede observar en un material tridimensional ordinario, pero en 2000 se demostró teóricamente que se podía observar una cuantificación similar en cuatro dimensiones espaciales. Para modelar este espacio de cuatro dimensiones, los investigadores construyeron guías de onda. Cada guía de ondas es esencialmente un tubo, que se comporta como un cable de luz. Este «tubo» está inscrito en vidrio de alta calidad con un potente láser.

Muchas de estas guías de onda están inscritas muy juntas a través de una única pieza de vidrio para formar la matriz. Los investigadores utilizaron una técnica recientemente desarrollada para codificar «dimensiones sintéticas» en las posiciones de las guías de onda.

En otras palabras, los patrones complejos de las posiciones de la guía de ondas actúan como una manifestación de las coordenadas de mayor dimensión. Al codificar dos dimensiones sintéticas adicionales en la compleja estructura geométrica de las guías de ondas, los investigadores pudieron modelar el sistema bidimensional con un total de cuatro dimensiones espaciales. Luego, los investigadores midieron cómo la luz fluía a través del dispositivo y descubrieron que se comportaba de manera precisa de acuerdo con las predicciones del efecto Hall cuatridimensional.

«Nuestras observaciones, tomadas junto con las observaciones utilizando átomos ultrafríos, proporcionan la primera demostración de la física de Hall cuántica de dimensión superior», dijo Rechtsman.

«Pero, ¿cómo puede la comprensión y la exploración de la física de dimensiones superiores tener alguna relevancia para la ciencia y la tecnología en nuestro mundo tridimensional? Hay una serie de ejemplos donde este es el caso. Por ejemplo, los ‘cuasicristales’ –aleaciones metálicas que son cristalinas pero no tienen unidades repetitivas y se usan para revestir algunas sartenes antiadherentes–; se ha demostrado que tienen «dimensiones ocultas»; sus estructuras se pueden entender como proyecciones del espacio de dimensiones superiores en el mundo tridimensional real. Es posible que la física de dimensiones superiores se pueda utilizar como principio de diseño para nuevos dispositivos fotónicos».

Fuente: Europa Press