A növekedés fizikájának 40 éves rejtélyét végre megfejtették a tudósok

A növekedés sokféle rendszerben figyelhető meg – legyen szó kristályokról, baktériumokról vagy éppen lángfrontokról –, és már régóta próbálják megfejteni a fizikusok, hogyan lehet leírni és előre jelezni ezt a folyamatot. A nyolcvanas évek közepén született meg a Kardar–Parisi–Zhang (KPZ) egyenlet, amely azt sugallja, hogy nagyon különböző rendszerek növekedése mögött meglepően egységes fizikai törvényszerűség állhat. Most a Würzburgi Egyetem kutatóinak sikerült először két dimenzióban is kísérletileg igazolniuk ezt az elméletet – ez sorsfordító lépés a növekedés egyetemes törvényszerűségének feltárásában.

Miért olyan nehéz előre jelezni a növekedést?

A növekvő felületek mindig véletlenszerűen és nemlineárisan fejlődnek, emiatt ezek a rendszerek nem egyensúlyi állapotban vannak. Ezért is olyan bonyolult mérni őket – különösen azért, mert ezek a változások hihetetlenül gyorsan, néhány pikoszekundum alatt történnek. Ennek következtében egészen mostanáig technikailag kivitelezhetetlen volt két dimenzióban, laboratóriumi körülmények között igazolni a KPZ-modell helyességét.

Ultrahideg kvantumkísérlettel a bizonyításig

A kutatók egy precízen irányított kvantumkísérleti rendszert terveztek: gallium-arzenid félvezetőt hűtöttek le mínusz 4,15 °C-ra, majd lézerrel gerjesztették, hogy létrehozzanak polaritonokat – ezek a különös, fény és anyag közötti részecskék néhány pikoszekundum alatt keletkeznek és tűnnek el. Ezzel a módszerrel sikerült térben és időben is részletesen követni, hogyan fejlődik ez a kvantumrendszer, és a növekedés pontosan követte a KPZ-egyenlet által jósolt mintázatokat.

Az elmélet és a gyakorlat találkozása

Korábban csak egydimenziós rendszerekben tudták igazolni a KPZ-modellt – például párizsi kutatóknak két éve sikerült ez. Ezzel szemben két dimenzióban eddig minden próbálkozás kudarcba fulladt. Most azonban sikerült áttörni ezt a technikai akadályt, így végre kísérleti bizonyíték született az univerzális törvényszerűség létezésére.

Pontos anyagtervezés: atomról atomra

A siker kulcsa a rendkívüli anyagmanipulációban rejlett. A kutatócsoport rendkívül finoman szabályozott tükörrétegek közé zárt egy kvantumfilmet, ahol a fotonok és az excitonok polaritonokká egyesültek. A rétegek vastagságát molekulasugaras epitaxiával atomi pontossággal állították be, hogy elérjék a szükséges optikai és szerkezeti tulajdonságokat. Így mikrométeres pontosságú lézersugárral vizsgálták a mintát, és minden kis részletet kézben tartottak – ez tette lehetővé a KPZ-univerzalitás kísérleti demonstrálását.

2026, adminboss, www.sciencedaily.com alapján