Физики наконец-то доказали универсальную теорию роста для двумерных систем

Ученые из Вюрцбургского университета совершили прорыв в физике, впервые экспериментально подтвердив теорию роста поверхностей Кардара-Паризи-Чжана (KPZ) для двумерных систем. Это достижение закрывает 40-летнюю загадку и доказывает универсальность модели, применимой к кристаллам, популяциям, фронтам пламени и даже машинному обучению.

Теория KPZ, предложенная в 1986 году, описывает нелинейный и случайный рост поверхностей. До сих пор ее удавалось подтвердить лишь для одномерных систем (в 2022 году). Переход к двумерным системам оказался крайне сложным из-за необходимости измерять неравновесные процессы в пространстве и времени с высокой точностью.

Чтобы решить эту задачу, команда под руководством постдокторанта Сиддхартхи Дама создала квантовую установку. Они охладили полупроводник из арсенида галлия (GaAs) до -269,15°C и непрерывно облучали его лазером. В этих условиях внутри материала формировались поляритоны — гибридные частицы света и материи, существующие лишь несколько пикосекунд.

«Когда поверхности растут — будь то кристаллы, бактерии или фронты пламени — процесс всегда нелинейный и случайный. В физике мы описываем такие системы как неравновесные, — объясняет Сиддхартха Дам. — Создать систему, способную одновременно измерять эволюцию неравновесного процесса в пространстве и времени, чрезвычайно сложно. Нам удалось контролировать неравновесную квантовую систему в лаборатории — это стало возможным только недавно».

Ключевую роль сыграла точная инженерия материала. Исследователи создали сложную структуру с зеркальными слоями, которые удерживали фотоны в центральной «квантовой пленке». Там фотоны взаимодействовали с экситонами, образуя поляритоны, чье поведение можно было отслеживать.

«Контролируя толщину отдельных слоев материала с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии, мы смогли настроить их оптические свойства и изготовить необходимые высокоотражающие зеркала в условиях сверхвысокого вакуума, — рассказывает докторант Саймон Видманн. — Мы управляем ростом материала атом за атомом и можем точно настраивать все параметры эксперимента. Такой уровень контроля был необходим для успешной демонстрации универсальности KPZ».

Теоретическую основу эксперимента заложил в 2015 году Себастьян Диль из Кёльнского университета. По его словам, «экспериментальная демонстрация универсальности KPZ в двумерных материальных системах подчеркивает, насколько фундаментальным является это уравнение для реальных неравновесных систем».

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.