Ученые из Университета Вюрцбурга впервые экспериментально подтвердили, что уравнение Кардара-Паризи-Чжана (KPZ), описывающее рост поверхностей, работает и в двумерных системах. Эта теория, предложенная в 1986 году, предсказывает, что различные процессы — от роста кристаллов и бактерий до распространения пламени и работы нейросетей — подчиняются одним и тем же фундаментальным законам. Хотя для одномерных систем правоту KPZ доказали еще в 2022 году, проверка для двух измерений оказалась гораздо сложнее.
Чтобы проверить теорию, команда создала уникальную квантовую установку, используя арсенид галлия, охлажденный почти до абсолютного нуля (−269,15°C). Постоянно облучая материал лазером, ученые получали необычные частицы — поляритоны, гибриды света и материи. Эти частицы существуют лишь мгновение в условиях неравновесной системы, что делает их идеальными для изучения сверхбыстрых процессов роста.
С помощью передовых методов исследователи отслеживали, где в материале образуются поляритоны, и измеряли, как они растут во времени и пространстве. Как объяснил постдокторант Сиддхартха Дам, лазерная накачка позволила увидеть пространственно-временную эволюцию квантовой системы, и результаты полностью совпали с моделью KPZ. «Раньше мы могли подтвердить теорию только в одном измерении, а теперь получили недостающий кусочек пазла для двухмерных систем», — отметил профессор Себастьян Диль, разработавший теоретическую основу эксперимента еще в 2015 году.
Главным вызовом стало создание идеально контролируемой среды: исследователям пришлось с ювелирной точностью выстроить слои зеркал, захватывающих фотоны внутри «квантовой пленки». Докторант Саймон Видман подчеркнул, что технология молекулярно-лучевой эпитаксии позволила настроить оптические свойства материала с точностью до микрометра. Этот прорыв не только закрывает 40-летнюю загадку, но и открывает путь к новому пониманию неравновесных систем — от роста кристаллов до искусственного интеллекта.
Источник: Scientists finally solve 40-year-old physics puzzle about how things grow