A szintetikus dimenziók azokat a fiktív kiterjedéseket jelentik, amelyeket mesterséges módszerrel kreálnak a kutatók - ezek tulajdonképpen nem valódi, térbeli dimenziók, mint amelyeket jól ismerünk (a szélesség, a hosszúság és a magasság hármasa), hanem extra dimenziók reprezentációi, amelyeket egy rendszerre jellemző egyéb fizikai faktorok (például a frekvencia) bevonása eredményez. A mesterséges dimenziók a geometriai dimenziókkal kombinálva magasabb szintű szintetikus teret alkotnak, és ezekkel az elméleti rendszerekkel a fizikusok az univerzum működésének kutatásán át a specifikusabb, például optikával kapcsolatos kérdésekig sok területet vizsgálhatnak behatóbban.

A három térbeli dimenzióhoz csatlakozó variánsok lehetnek a rendszerek nem térbeli jellemzői is, mint a fényhullámok frekvenciája vagy polarizációja, ezeket a faktorokat használták ki például a Yokohama Nemzeti Egyetem kutatói is, mikor egy szilícium gyűrű rezonátorral bontották fel a fényhullámokat, ezáltal szintetikus dimenziót adva a már meglévők mellé. Az ilyen multidimenziós struktúrákat szimuláló modellek több információt hordoznak az adott rendszer egészéről és felszabadítják a fizikusokat a mérések során a térbeli határok korlátai alól, hogy újabb paraméterek alapján vizsgálhassák a fizikai törvényszerűségeket.

Az egyik ígéretes módszer, amellyel ilyen modelleket építhetnek a kutatók azoknak a rácsoknak a létrehozása, amelyeket egymással kapcsolódó részecske állapotok alkotnak - minél közelebbi részecske szomszédokat párosítanak egymással, annál alacsonyabb dimenziókat imitálnak, minél távolabbiakat, annál komplexebb a végeredmény.

"A rács kialakításánál az állapotok, amelyeket használnak, különböző frekvenciákkal vagy különböző keringési szögimpulzussal rendelkezhetnek, amelyek megfelelnek a fotonok eltérő belső szabadságfokának.

A szintetikus tér építése ezért a belső szabadságfokok manipulálásának új lehetőségeire ad alkalmat, ami jelentős potenciális fontossággal bírhat az olyan alkalmazások, mint a kommunikáció és az információfeldolgozás tekintében." - írták kínai kutatók 2018-as tanulmányukban a szintetikus terek lehetséges optikai felhasználási módjai kapcsán.

A rácsokból készített mesterséges dimenziók újabb verzióját egy egyedi módszerrel készítették el a Rice Egyetem fizikusai: az úgynevezett Rydberg atomok létrehozásával olyan elektronpárokat alkottak, amelyekkel valódi anyagok jellemzőit tudták szimulálni. A Rydberg atomok az atomok átlagos méreteivel összehasonlítva gigantikus nagyságúak, mivel az atommagjaik körül keringő elektronok közül néhány egészen messzire kerül (de nem szakad el) tőle, ezzel jelentősen fokozva az atom kiterjedését. Ezt az állapotot az elektronok gerjesztésével lehet elérni, amelyek az atom méretét akár az ezerszeresére is növelhetik.

Az ultrahideg stroncium atomokból álló Rydberg egységek létrehozása után a kutatók az egy-egy atomon belüli különböző energiaszinteket mikrohullám segítségével párosították, ezzel fiktív rácsszerkezetet alakítottak ki, amelyben a gerjesztett elektron egyik szintről a másikra tudott haladni, a szintek pedig a térbeli elhelyezkedést szimbolizálták, vagyis mintegy dublőrei voltak az extra térbeli dimenzióknak.

"A szintetikus dimenziók dinamikája matematikailag egyezik egy valódi kristály rácsai között mozgó részecske mozgásával."

- írják a Rice Egyetem beszámolójában.

A kutatók elmondása szerint ezeknek az interakcióknak az előidézése és megfigyelése lehetőséget ad a sokkal bonyolultabb rendszerek fizikájának megértésében. A létrehozott szimulátorok hasonló funkciót töltenek be, mint a szélcsatornák, amelyek egy komplexebb aerodinamikai folyamat részegységeinek feltérképezésében segítenek.

"Ez akkor válik lényegessé, mikor a rendszert kvantummechanikai szabályok vezérlik,

amelyben, amint néhány részecskénél és néhány fok szabadságnál többel van dolgunk, bonyolulttá válik a leírása annak, hogy mi is zajlik a rendszerben." - magyarázta Tom Killian, a kutatás egyik résztvevője.

A szintetikus dimenziókra alapozott platformok így a jövő kvantummechanikai vizsgálataihoz nyújthatnak hasznos segítséget, olyan méréseket lehetővé téve, amelyek meghaladják a jelenlegi klasszikus számítógépek képességeit.

(Fotó: Rice University/Jeff Fitlow/Soumya Kanungo, Pixabay/95C)