استعراض

مؤخرا، أظهر فريق بحث دولي طريقة جديدة للظواهر المادية التي لوحظت في هذه التجربة، ويعتقد أن هذه الظاهرة المادية موجودة في نظام الأبعاد العليا. العلماء استخدام ثنائية الأبعاد superlattice تعديل الدورية سجن في الذرات الفائقة البرودة، ومراقبة إصدار جديد الديناميكي للتأثير هول الكمي، ومن المتوقع النظام لتحدث في نظام رباعي الأبعاد.

خلفية

مقال اليوم، أود أن أبدأ مع تحفة أدبية. هذا هو الكاتب البريطاني الشهير درجة الحرارة آيت ابوت رواية الخيال العلمي "الأرض المسطحة" "الأرض المسطحة: قصة خيالية من العديد من الأبعاد" (1884). انها صورت القرن التاسع عشر المجتمع البريطاني الفيكتوري كعالم الهرمي ثنائي الأبعاد، ويرجع ذلك إلى خصائص السفلية الأبعاد، فإنه ليست على علم بها ضيق الأفق.

(المصدر: ويكيبيديا)

توضح هذه رواية الخيال العلمي العلاقة بين الأبعاد المختلفة للعالم الوجود والعالم كافة الأبعاد. تفاصيل للمؤلف فقط عالم ثنائي الأبعاد، ودعا "الأرض المسطحة". في هذا البلد، كل شيء الطائرة، الأرض مسطحة، والجبال والأنهار هي مسطحة، حتى الذي يشغل أيضا منصب الطائرة: أفقر المتواضع هو متساوي الساقين مثلث، دائرة هي أنبل، والأكثر مخيفة غير مباشرة ...... الأرض المسطحة في بناء المساكن، والمشي المنتظم، لتحديد السبل والصراع الطبقي أيضا مكتفية ذاتيا، والمرح.

التالي هو أكثر من رائعة صفر وى قوه، نقاش كبير بين الأبعاد واحد، ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد بلد بلد حياة البلد: الأرض المسطحة من الناس مستوحاة من وى قوه (أي خط مستقيم) أقيل كما يتحرك الناس حول المدرسة هراء، والناس الذي ألهم العالم ثلاثي الأبعاد من الأرض المسطحة ولم تتحرك بنجاح صعودا وهبوطا، والناس الصفر وى قوه (أي، نقطة) تماما أنه هو العالم كله ......

ومع ذلك، في فيزياء الكون ويعتقد أن تكون مؤلفة من أكثر من ثلاثة أو أكثر من أبعاد. في عام 1920، وضع أينشتاين إلى الأمام هذه الحجة في النسبية العامة. ووفقا للنظرية النسبية العامة، منحني الفضاء، الفضاء ثلاثي الأبعاد نعيش من المرجح أن تكون مغلقة منحنية الهندسة رباعية الابعاد. إذا كان عن طريق الطول والعرض والتوجيه الارتفاع، سيكون هناك مباشرة من جرم سماوي واحد للجسم سماوي آخر لمسافات طويلة جدا، ولكن إذا كان يمكن الاستفادة من البعد الرابع، ثم حفظها على مسافة معينة، وهذا هو، نسخ الاختصار. في نموذج فيزياء الكم، يعرف هذا قريب الفضاء متعدد الأبعاد إلى القناة أيضا باسم الثقوب.

(المصدر: ويكيبيديا)

ومع ذلك، محاولات لحل نظريتين الرئيسية الفيزياء غير متوافقة على السطح: نظرية سلسلة الحديثة، وميكانيكا الكم والنسبية العامة ما يلي: أن الكون يجب أن يكون هناك أكثر مما كنا نعرف أبعاد الزمكان رباعي الأبعاد للفضاء. قناعة نظرية سلسلة من الحاجة إلى وضع لا يقل عن 10 أبعاد الإطار النظري، بحيث الجاذبية وميكانيكا الكم متوافقة. وبالإضافة إلى ذلك، وضعت M نظرية قدما في 1990s (نوع من نظرية الأوتار) أن: الكون هو 11 الأبعاد.

ابتكار

في الآونة الأخيرة، وجامعة ميونيخ معهد / ماكس بلانك للبصريات الكمية (LMU / MPQ) أستاذ إيمانويل بلوخ والمعهد الاتحادي السويسري للتقنية زيوريخ (ETH زيورخ) عوديد أستاذ Zilberberg قاد فريق البحث الدولي، في تجارب لمحاكاة العالم الحقيقي، مظاهرة من طريقة جديدة لمراقبة الظواهر الفيزيائية، ويعتقد أن هذه الظاهرة المادية موجودة في نظام الأبعاد العليا. العلماء استخدام ثنائية الأبعاد superlattice تعديل الدورية سجن في الذرات الفائقة البرودة، ومراقبة إصدار جديد الديناميكي للتأثير هول الكمي، ومن المتوقع النظام لتحدث في نظام رباعي الأبعاد.

تكنولوجيا

عندما اتهم يتحرك جسيم في طائرة ثنائية الأبعاد ضمن الحقل المغناطيسي، ويتم إنشاء تأثير هول. A توليد المجال المغناطيسي لورنتز القوة، وقوة لورنتز تسبب الجسيمات إلى التحول إلى اتجاه عمودي على اتجاه حركتها. فهذا دليل على وجود عرضية قاعة الجهد. في عام 1980، قدم كلاوس فون كليتزينج اكتشاف المعلم: دور درجات الحرارة المنخفضة وحقل مغناطيسي قوي، وهذا الجهد لا يمكن إلا أن الكم معين من القيمة. وعلاوة على ذلك، بغض النظر عن كيفية خصائص عينة الاختبار، وهذه القيم هي نفسها. تبين لاحقا حقيقة من المستغرب أن الكم الطوبوغرافية الدالة الموجية الميكانيكية ذات الصلة، التي تصف سلوك الإلكترونات في مثل هذه الحالة الطاقة المنخفضة. بسبب هذه الدراسة الرائدة، وفاز ديفيد Thouless على جائزة نوبل 2016 في الفيزياء.

هندسة 2D من تأثير هول الكمي هو شرط هام للعينة. عموما، هذه الظاهرة لا يمكن ان يثبت عقده في أنظمة ثلاثية الأبعاد. على سبيل المثال، في نظام ثلاثي الأبعاد، لم يتم تعريف فريد اتجاه سرعة الجسيمات تعويض.

لذلك، وهذا التأثير هو مناسبة خاصة لأنظمة ثنائية الأبعاد. الآن، للمرة الأولى من الفيزياء النظرية تفترض أن نفس التأثير يحدث في نظام رباعي الأبعاد لأكثر من 20 عاما. لمثل هذا النظام، والمزيد من الخصائص ذات أهمية رمزية، بما في ذلك قاعة غير الخطية الجديد الحالي. لفترة طويلة، أر مثل هذا الاقتراح باعتباره الفضول الرياضي، لا يصل إلى نتائج الاختبار الفعلي، ولكن فقط آثار بعيدة المدى. على سبيل المثال، في السنوات الأخيرة، وجدت مكثف فيزياء المواد في اثنين من ابرز: فايل العوازل الطوبوغرافية وأشباه الفلزات، فإنها يمكن أن تستمد من الكم قاعة نموذج الأبعاد.

2013، عوديد Zilberberg وشركائه ادرك ان الكم قاعة تأثير رباعي الأبعاد يمكن أن ينظر إليه، والذي يعرف أيضا باسم "مضخة تهمة الطوبوغرافية" في خاصة أنظمة 2D تعتمد على الوقت، والتي تشكل نسخة ديناميكية نموذج الأبعاد عالية. وجهة النظر هذه يمكن تلخيصها على النحو نظرية، هذه النظرية قد حان من ديفيد Thouless. عام 1983، تظهر جزيئات Thouless قد يتم إنشاء ناقل حركة الكم من خلال نظام تعديل الدوري ذات بعد واحد، وهو ما يعادل رياضيا للاستجابة في الكم ثنائي الأبعاد تأثير هول. وفقا لذلك، من خلال الجمع بين اثنين من الاتجاهات المتعامدة في نظام من هذا القبيل، وخطي قاعة الحالية يمكن ملاحظة على نظام رباعي الأبعاد المتوقعة.

كما هو مبين أدناه: أجهزة أثر دراسة نظام الأبعاد الافتراضية الكم القاعة. شريط ثنائي الأبعاد هول (يسار / يمين)، أي أول هندسة القياس كلاوس فون كليتزينج تأثير اثنين وي Huoer العاملين، التي تأسست في شكل متعامد فضاء جزئي لمدة أربع نظام وي Huoer (وسط). يتم وصف هذا مرمزة رباعي الأبعاد من العينة على سطح الفضاء ثلاثي الأبعاد، قيمة موجبة يمثل اللون الأحمر والأزرق للقيم السالبة.

(المصدر: LMU / MPQ)

هذا الإنجاز الذي حققته إيمانويل بلوخ للمجموعة. في البداية، يتم تبريد سحابة من الذرات إلى قرب الصفر المطلق، ووضعها في شعرية بصرية ثنائية الأبعاد. مثل هذا التدخل البصري شكلت شعرية من الطول الموجي محددة العاكس من شعاع الليزر على طول اتجاهين متعامدين. واحد محتمل مماثل لنوع كرتونة البيض شكلت مثل "ضوء الكريستال"، والتي تتحرك الذرات. بإضافة شعاع الليزر إضافية بعد طول موجي مختلف في كل اتجاه على حزمة، لتشكيل ما يسمى superlattice. يمكن للباحثين على طول محور واحد، وبين أشعة موجات مختلفة، وإدخال زاوية طفيف ثابتة لتحقيق ثنائية الأبعاد طوبولوجيا مضخة تهمة المقترحة، في حين أن آخر عن طريق تغيير طفيف في الطول الموجي للأشعة الليزر، وبالتالي تغيير حيوي التعامد شكل الاتجاه المحتملين.

ثنائي الأبعاد الطوبوغرافية مضخة تهمة superlattice البصرية. (A) التي تم إنشاؤها بواسطة شعاع ليزر تدخل غير ثنائية الأبعاد المحتملة superlattice، لتشكيل عموما كرتونة البيض "ضوء الكريستال" الذرات وضعت فيه. (B) على طول محور X الأفقي مع إمكانية التضمين الوقت، الناجم عن حركة الذرات في الكريستال المشبك. هذه الحركة السريعة تساوي طول ثنائي الأبعاد X-محور الكم تأثير هول، وكشفت وجود رباعي الأبعاد الكم قاعة تأثير تتحرك ببطء على طول اتجاه عرضية.

(المصدر: LMU / MPQ)

في حالة خلال المحتملين التضمين الوقت، الذرات تتحرك على طول اتجاه ملحوظ، وتفعل ذلك عن طريق أسلوب تكميم. هذه الطريقة تكميم هو Thouless التنبؤ الخطي (على سبيل المثال، ذات بعد واحد) استجابة لاجتماع الكم ثنائي الأبعاد تأثير هول. وبالإضافة إلى ذلك، لاحظ فريق ميونيخ أيضا الوحشي تعويض طفيف تجريبيا، على الرغم من أن هذا الاتجاه في إمكانات شعرية يبقى ثابتا. هذه الحركة الجانبية للاستجابة قاعة خطية تساوي، والخصائص الأساسية للاستجابة غير خطية من تأثير هول هي أربعة وي Huoer. من خلال رصد دقيق وذرة تحليل في ما الحجمية موقف في هذه العملية، تبين للعلماء أيضا أن هذا الاقتراح هو الكم، وبذلك تكشف خصائص الكم من أربعة آثار وي Huoer.

قيمة

نتائج البحوث التكميلية وفريق بحث أمريكي نشرت معا في مجلة "الطبيعة". واستخدم فريق البحث الأمريكي هيكل الضوئية، جنبا إلى جنب مع الكم قاعة تأثير رباعي الأبعاد نظرا لتعقيد هذه الحركة الحدود الظاهرة. معا هذه الأوراق توفر رؤى التجريبية الأولى في الكم الأبعاد نظام قاعة أعلى، ولكن تبين أيضا سلسلة من مستقبل مشرق، وتشمل هذه فهمنا من المسائل الأساسية في الكون، مثل التفاعلات الكم ذات الصلة وأبعاد الكون توليد المجال المغناطيسي والجاذبية الكمومية. لهذه المشاكل، يقترح نظام وي Huoer أربعة لاستخدامها كنموذج لعبة.

الكلمة

الكم والفيزياء والكون

المواد المرجعية

[1]

[2] مايكل Lohse، مسيحي شفايتزر، هانا M. الأسعار، عوديد Zilberberg، إيمانويل بلوخ. استكشاف الفيزياء 4D الكم قاعة مع 2D مضخة تهمة الطوبوغرافية . الطبيعة، 2018، 553 (7686): 55 دوى: 10.1038 / nature25000

تكنولوجيات أكثر المتطورة والمنتجات المبتكرة، ويرجى الانتباه إلى قناة الدقيقة عدد الجمهور: IntelligentThings، أو الاتصال الحرف الصغير المؤلف: JohnZh1984