Ученые подтвердили 40-летнюю теорию о хаотическом росте в двумерных квантовых системах

Исследователи из Вюрцбургского университета впервые продемонстрировали, что хаотический рост в двумерной квантовой системе подчиняется уравнению Кардара–Паризи–Чжана (KPZ), подтвердив 40-летнюю физическую теорию. Десятилетиями физики полагали, что даже высоко неупорядоченный рост — от распространения пламени до размножения бактерий — следует скрытым статистическим законам.

До сих пор модель KPZ, описывающая, как шероховатые, неровные поверхности эволюционируют в случайных условиях, была проверена только в простых одномерных системах. Распространение её на более реалистичные двумерные среды оставалось экспериментально недостижимым из-за экстремальных скоростей и масштабов процессов. Результаты работы учёных, опубликованные в журнале Science, закрывают давний пробел в этой области, доказывая, что теория действительно применима к 2D-системам.

Этот прорыв улучшает понимание и моделирование сложных процессов роста в реальных неравновесных системах.

«Когда поверхности растут — будь то кристаллы, бактерии или фронт пламени — процесс всегда нелинейный и случайный. В физике мы описываем такие системы как находящиеся вне равновесия», — пояснил Сиддхартха Дам, постдокторант исследовательской группы и соавтор статьи.

«Создание системы, способной одновременно измерять, как неравновесный процесс эволюционирует в пространстве и времени, чрезвычайно сложно — особенно потому, что эти процессы разворачиваются на ультракоротких временных масштабах. Вот почему проверка модели KPZ в двух измерениях заняла так много времени. Теперь нам удалось контролировать неравновесную квантовую систему в лаборатории — это стало технически возможным лишь недавно», — продолжил он.

Для достижения этого результата команда создала высококонтролируемую квантовую систему на основе полупроводника из арсенида галлия (GaAs), охлаждённого до –269,15 °C, что близко к абсолютному нулю. Непрерывно освещая материал лазером, они генерировали короткоживущие гибридные частицы, известные как поляритоны — смесь света и материи, которая образуется и распадается за пикосекунды.

Эти поляритоны ведут себя как быстро эволюционирующая «растущая» система. По мере их создания и распространения по материалу их распределение меняется как в пространстве, так и во времени, что позволило исследователям отслеживать развитие системы в условиях внутренней случайности.

Используя спектроскопию и интерферометрию Майкельсона, команда смогла точно отслеживать эту эволюцию, фиксируя, как флуктуации в системе масштабируются и распространяются. Их анализ показал, что поведение поляритонов близко соответствует статистическим закономерностям, предсказанным уравнением KPZ в двух измерениях.

Источник: Tomshardware.com