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Quantenphysik: Aufbruch in neue Dimensionen

Dank ausgeklügelter Tricks haben Physiker den vierdimensionalen Quanten-Hall-Effekt im Labor nachgewiesen.
Laserlabor

Viele Menschen haben vermutlich erstmals durch die berühmte Geschichte des Quadrats A. Square einen greifbaren Eindruck von Räumen mit mehr als drei Dimensionen bekommen. Neben einer satirischen Darstellung der damaligen viktorianischen Gesellschaftsstruktur in England beschreibt Edwin Abbott Abbott in seiner 1884 erschienenen Novelle »Flächenland«, wie der quadratische Protagonist einer flachen Welt auf eine Kugel trifft, die ihn von der Existenz einer dritten Dimension überzeugen will.

Für Mathematiker ist es nichts Besonderes mehr, sich geistig in hochdimensionale oder gar unendlich-dimensionale Räume zu begeben, um dort komplizierte Beweise zu führen. Und selbst in manchen Bereichen der Physik ist es mittlerweile an der Tagesordnung, an Objekte mit mehr als drei Dimensionen zu denken.

Außerhalb dieser theoretischen Sphären und vor allem, wenn es um das alltägliche Leben geht, ist nach drei Raumdimensionen allerdings Schluss. Gerade Experimental­physiker, die Theorien im Labor überprüfen, sind auf Systeme mit maximal drei Dimensionen beschränkt. Doch nun ist es mir mit meinen Kollegen gelungen, einen vierdimen­sionalen Quanteneffekt experimentell zu untersuchen …

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  • Quellen

Fröhlich, J., Pedrini, B: New applications of the chiral anomaly. In: Fokas, A., Grigoryan, A., Kibble, T., Zegarlinski, B. (Hg.): Mathematical Physics 2000, Imperial College Press, 2000

Von Klitzing, K., et al.: New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance. Physical Review Letters 6, 1980

Kraus, Y. E., et al.: Four-dimensional quantum Hall effect in a two- dimensional quasicrystal. Physical Review Letters 111, 2013

Lohse, M. et al.: Exploring 4D quantum Hall physics with a 2D topological charge pump. Nature 553, 2018

Lohse, M. et al.: A Thouless quantum pump with ultracold bosonic atoms in an optical superlattice. Nature Physics 12, 2016

Thouless, D. J.: Quantization of particle transport. Physical Review B 27, 1983

Zhang, S.-C., Hu, J.: A four-dimensional generalization of the quantum Hall effect. Science 294, 2001

Zilberberg, O. et al.: Photonic topological boundary pumping as a probe of 4D quantum Hall physics. Nature 553, 2018