Ученые давно знают как с хорошим приближением прогнозировать рост поверхностей. Но экспериментально подтвердить точное соответствие реальных процессов и модели — гораздо более сложная задача, у которой, тем не менее, есть решение.
В 1986 году ученые описали универсальную теорию происходящего на границе двух сред с помощью уравнения, которое назвали их фамилиями — уравнение Кардара — Паризи — Чжана (КПЖ). Разработанная ими модель с тех пор используется в физике, математике, биологии и компьютерных науках для прогноза роста бактериальных колоний, распространения пламени и формирования кристаллов. Универсальность КПЖ позволяет использовать это уравнение для любого роста, даже для разработки алгоритмов машинного обучения.
Эта универсальность сопровождается сложным математическим аппаратом. Но именно так ученые могут предсказывать поведение неравновесных систем — реальных, в которых процессы происходят нелинейно и часто хаотично. В 2022 году модель на основе КПЖ экспериментально подтвердили для одномерных систем на основе квазичастиц поляритонов.
Международная группа ученых смогла экспериментально подтвердить поведение по модели КПЖ для двумерных систем в пространстве и времени. Работа опубликована в журнале Science.
Раньше этого нельзя было добиться из-за недостаточного уровня технического развития — нельзя было управлять неравновесной квантовой системой с нужной точностью, либо не получалось считывать результаты в том же временном разрешении, в котором разворачивались физические процессы.
Для этого исследователи создали сложную многослойную структуру на основе арсенида галлия (GaAs). Образец охладили до температуры минус 269,15 градуса Цельсия и непрерывно накачивали его энергией с помощью лазера. Зеркальные слои внутри структуры удерживали фотоны внутри центрального «квантового пленочного» слоя. Там частицы смогли соединиться с экситонами в полупроводнике и образовать поляритоны. За поведением последних и наблюдали физики.
«Мы смогли точно отслеживать, где в материале находятся поляритоны. Когда мы накачиваем систему светом, поляритоны рождаются — они растут. Используя передовые экспериментальные методы, нам удалось количественно оценить как пространственную, так и временную эволюцию этой растущей квантовой системы, и мы обнаружили, что она следует модели КПЖ», — объяснил один из авторов исследования Сиддхартха Дам (Siddhartha Dam).
Степень контроля, позволившая физикам с уверенностью говорить об этом результате, очень важна. Экспериментальный образец растили с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Этот метод требует сверхвысокого вакуума и исключительной чистоты материалов, но позволяет контролировать толщину слоев практически с точностью до атома. Область, в которую направляли лазер, контролировали с точностью до микрометра.