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科学者達は4次元を垣間見る


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科学者達は4次元を垣間見る

( 図 量子 Pixabay)  (Fig.) アーティス・イメージ

 

2つの独立したグループの科学者達が、2次元のアナログを用いて量子力学効果の4次元特性を再現することができました。

この2つの研究はNatureに掲載され、量子ホール効果(quantum Hall effect)に焦点を当てています。この効果は、2次元電子系のコンダクタンス(どのように何が電気を伝達するか)が、低温かつ強磁場でどのように作用するかを記述しています。長い間、この効果は4次元系にも存在することが知られていましたが、今までこれを証明できませんでした。

「量子ホール効果が4次元空間で観測されることが理論化されたとき、現実の世界は空間次元が3つしかないために純粋に理論的関心だとみなされました。それは多かれ少なかれの好奇心でした。」と、物理学助教授で論文の著者の1人のミカエル・レクツマン(Mikael Rechtsman)氏は声明で述べています。「しかし、私達は、導波路アレイ(waveguide array)の複雑な構造のガラスを通過する光子 - 光の粒子 - を使って、4次元量子ホール物理学を模倣(emulated)できることを示しました。」

 

(Fig.1) 4D量子ホール効果のテストに使用される導波路のセットアップ。 ペンシルベニア州立大学レヒトマン研究所

 

導波路のセットアップは、4D量子ホール効果の試験のために使用しました。 ペンシルバニア州立大学(Penn State University)レクツマン研究所(Rechtsman laboratory)。

新しい技術のおかげで、ガラス導波管は、それらをゆるがす(sport)合成次元になるようにエッチングでき、導波路を通過する光子が真の4次元系のように動作できることを可能にします。この画期的な研究により、研究者は、量子ホール効果が本当に4次元に存在するかどうかの最終的な試験ができました。そのとおりです。

その効果は3次元では観測できません。それは、電荷が2つの表面の間に挟まれたとき、最初に2次元で観測されました。表面がほぼ絶対零度に冷却され、強い磁場にさらされると、それが流せる電荷量は量子化され、これは自然の基本量によって決まります。

量子化は顕著であって、たとえ材料が『乱雑』で、つまり欠陥が多くても、この『ホール・コンダクタンス』は極めて安定したままです。」と、レクツマン氏は述べました。「電子の流れの堅牢性 - 量子ホール効果 - は普遍的で、極めて異なる条件下で多くの異なる材料で観測できます。」

4次元物理の直接のアプリケーションはありませんが、科学者達は、4次元量子ホール効果のより良い理解が新しい光学系の開発に使用できると考えており、おそらく高次元の導波路の使用は、準結晶のような奇妙な固体を説明するのに役立つかもしれません。

 

記事はもともとIFLScience.comに掲載されたものです。

 

----- 出典 ------

掲載終了しております。

(元記事の出典)

www.iflscience.com

(同様な記事)www.zmescience.com

 

----- この記事を読んで -----

タイトルは4次元なのですが、まあよくあることで内容は違っていて、物性物理学のとりわけ極低温での物理現象についてです。量子ホール効果が起こるとどうなるか、詳しくは、量子ホール効果 - Wikipedia をご覧ください。

極微小な量子の世界になると、「空間3次元+時間」の日常の常識では解釈しづらい振る舞いが現れます。極低温、超高温、高真空、超高圧、極強の電磁場下など、ミステリアスな世界になります。日常の延長なはずなのに、常識が全く通用しない。つちかわれた既成概念が壊れ、パラダイム・シフトを余儀なくされます。宇宙では何が起こるのか分かりません。

 

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