Учените потвърдиха 40-годишната теория за хаотичния растеж в двумерните квантови системи

Изследователи от Университета във Вюрцбург за първи път доказаха, че хаотичният растеж в двуизмерна квантова система се подчинява на уравнението на Кардар–Паризи–Жан (KPZ), потвърждавайки 40-годишна физична теория. Десетилетия наред физиците смятаха, че дори силно хаотичният растеж – от разпространението на пламъка до размножаването на бактериите следва скрити статистически закони.

Досега моделът KPZ, описващ как грапавите, неравни повърхности еволюират при случайни условия беше проверен само в прости едномерни системи. Прилагането му към по-реалистични двумерни среди оставаше експериментално недостижимо поради екстремните скорости и мащаби на процесите. Резултатите от работата на учените, публикувани в списание Science запълват дългогодишна празнина в тази област, доказвайки, че теорията наистина е приложима към 2D-системи.

Този пробив подобрява разбирането и моделирането на сложни процеси на растеж в реални неравновесни системи.

„Когато повърхностите растат – било то кристали, бактерии или фронт на пламък, процесът винаги е нелинеен и случаен. Във физиката описваме такива системи като намиращи се извън равновесие.

Създаването на система, способна едновременно да измерва как неравновесният процес се развива в пространството и времето, е изключително сложно, особено защото тези процеси протичат в ултракратки времеви мащаби. Ето защо проверката на модела KPZ в две измерения отне толкова много време. Сега успяхме да контролираме неравновесна квантова система в лабораторията – това стана технически възможно едва наскоро.“

обясни Сиддхарта Дам, постдокторант в изследователската група и съавтор на статията

За да постигнат този резултат, екипът създаде висококонтролирана квантова система на базата на полупроводник от галиев арсенид (GaAs), охладен до –269,15°C, което е близо до абсолютната нула. Като непрекъснато осветяваха материала с лазер, те генерираха краткоживеещи хибридни частици, известни като поляритони – смесица от светлина и материя, която се образува и разпада за пикосекунди.

Тези поляритони се държат като бързо еволюираща „растяща“ система. С тяхното създаване и разпространение в материала, тяхното разпределение се променя както в пространството, така и във времето, което позволи на изследователите да проследят развитието на системата в условия на вътрешна случайност.

Използвайки спектроскопия и интерферометрия на Майкелсон, екипът успя да проследи точно тази еволюция, фиксирайки как флуктуациите в системата се мащабират и разпространяват. Анализът им показа, че поведението на поляритоните съответства в голяма степен на статистическите закономерности, предсказани от уравнението на KPZ в две измерения.