Pour la première fois, les physiciens ont construit un système expérimental à deux dimensions qui leur permet d'étudier les propriétés physiques de matériaux qui ont été théorisés pour n'exister que dans un espace à quatre dimensions. Une équipe internationale de chercheurs de Penn State, ETH Zurich en Suisse, l'Université de Pittsburgh, et le Holon Institute of Technology en Israël ont démontré que le comportement des particules de lumière peut être fait pour correspondre aux prédictions sur la version quadridimensionnelle de « l'effet Hall quantique » - un phénomène qui a été à l'origine de trois prix Nobel en physique — dans un réseau bidimensionnel de « guides d'ondes ».

Un article décrivant la recherche paraît le 4 janvier 2018 dans la revue La nature ainsi qu'un article d'un groupe distinct d'Allemagne qui montre qu'un mécanisme similaire peut être utilisé pour faire en sorte qu'un gaz d'atomes ultrafroids présente également une physique de Hall quantique à quatre dimensions.

"Quand il a été théorisé que l'effet Hall quantique pouvait être observé dans l'espace à quatre dimensions, " a déclaré Mikael Rechtsman, professeur adjoint de physique et auteur de l'article, "c'était considéré comme d'un intérêt purement théorique parce que le monde réel ne se compose que de trois dimensions spatiales; c'était plus ou moins une curiosité. Mais, nous avons maintenant montré que la physique Hall quantique à quatre dimensions peut être émulée à l'aide de photons - des particules de lumière - circulant à travers un morceau de verre à la structure complexe - un réseau de guides d'ondes."

Lorsque la charge électrique est prise en sandwich entre deux surfaces, la charge se comporte effectivement comme un matériau bidimensionnel. Lorsque ce matériau est refroidi à une température proche du zéro absolu et soumis à un champ magnétique puissant, la quantité qu'il peut conduire devient « quantifiée », fixée à une constante fondamentale de la nature et ne peut pas changer. « La quantification est frappante car même si le matériel est « désordonné », c'est-à-dire il a beaucoup de défauts - cette 'conductance Hall' reste extrêmement stable, " a déclaré Rechtsman. " Cette robustesse du flux d'électrons - l'effet Hall quantique - est universelle et peut être observée dans de nombreux matériaux différents dans des conditions très différentes. "

Cette quantification de la conductance, décrit pour la première fois en deux dimensions, ne peut être observé dans un matériau tridimensionnel ordinaire, mais en 2000, il a été montré théoriquement qu'une quantification similaire pouvait être observée dans quatre dimensions spatiales. Pour modéliser cet espace à quatre dimensions, les chercheurs ont construit des réseaux de guides d'ondes. Chaque guide d'ondes est essentiellement un tube, qui se comporte comme un fil de lumière. Ce "tube" est inscrit à travers du verre de haute qualité à l'aide d'un laser puissant.

Beaucoup de ces guides d'ondes sont inscrits de manière rapprochée à travers une seule pièce de verre pour former le réseau. Les chercheurs ont utilisé une technique récemment développée pour coder des "dimensions synthétiques" dans les positions des guides d'ondes. En d'autres termes, les motifs complexes des positions des guides d'ondes agissent comme une manifestation des coordonnées de dimension supérieure. En codant deux dimensions synthétiques supplémentaires dans la structure géométrique complexe des guides d'ondes, les chercheurs ont pu modéliser le système bidimensionnel comme ayant un total de quatre dimensions spatiales. Les chercheurs ont ensuite mesuré la façon dont la lumière traversait l'appareil et ont découvert qu'il se comportait précisément selon les prédictions de l'effet Hall quantique à quatre dimensions.

"Nos remarques, conjointement avec les observations utilisant des atomes ultrafroids, fournir la première démonstration de la physique Hall quantique de dimension supérieure, " a déclaré Rechtsman. " Mais comment comprendre et sonder la physique des dimensions supérieures peut-il avoir une certaine pertinence pour la science et la technologie dans notre monde en trois dimensions ? Il y a un certain nombre d'exemples où c'est le cas. Par exemple, Il a été démontré que les "quasicristaux" - des alliages métalliques qui sont cristallins mais n'ont pas d'unités répétitives et sont utilisés pour recouvrir certaines casseroles antiadhésives - ont des "dimensions cachées":leurs structures peuvent être comprises comme des projections d'un espace de dimension supérieure dans le réel , monde en trois dimensions. Par ailleurs, il est possible que la physique de dimension supérieure puisse être utilisée comme principe de conception pour de nouveaux dispositifs photoniques. »