Уравнение Кардара – Паризи – Занга (КПЗ), сформулированное в 1986 году, описывает механизмы роста поверхностей в самых разных физических системах – от формирования кристаллов и колоний бактерий до распространения пламени и динамики машинного обучения. Фундаментальное значение теории заключается в том, что внешне непохожие процессы подчиняются одним и тем же базовым правилам развития. Долгое время подтвердить универсальность этой модели для двухмерных систем не удавалось из-за сложности физических измерений.
Исследователи из Вюрцбургского университета представили первое экспериментальное доказательство того, что модель КПЗ применима к двухмерным объектам. Ранее, в 2022 году, справедливость уравнения удалось подтвердить лишь для одномерных систем. Новый результат, полученный в рамках работы кластера превосходства ct.qmat, устраняет этот пробел и подтверждает фундаментальный характер модели для реальных физических сред.
Сложность прогнозирования роста поверхностей обусловлена их нелинейной и случайной природой. В физике такие процессы классифицируют как находящиеся вне теплового равновесия. Главная техническая трудность состояла в создании установки, способной фиксировать изменения структуры одновременно в пространстве и времени, учитывая сверхкороткие интервалы, на которых протекают подобные процессы.
Для проверки теории ученые создали высокоточную квантовую систему. Полупроводник на основе арсенида галлия охладили до температуры –269,15 градуса Цельсия и подвергли непрерывному воздействию лазера. В таких условиях внутри материала образуются поляритоны – гибридные частицы, сочетающие в себе свойства света и материи. Они существуют всего несколько пикосекунд, что делает их подходящим объектом для наблюдения за сверхбыстрыми процессами роста.
Успех эксперимента обеспечил прецизионный контроль характеристик материала на атомарном уровне. С помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии физики создали структуру, в которой зеркальные слои удерживают фотоны внутри тонкой пленки. Там частицы взаимодействуют с экситонами в арсениде галлия, формируя поляритоны. Количественная оценка их пространственной и временной эволюции показала полное соответствие статистическим закономерностям модели КПЗ.
Теоретическая база исследования была заложена в 2015 году профессором Себастьяном Дилем из Кельнского университета. Нынешнее достижение ученых из Вюрцбурга подтверждает значимость уравнения КПЗ для понимания поведения неравновесных квантовых систем. Технологии управления ростом материалов на таком уровне точности открывают возможности для проектирования электронных и оптических устройств с заранее заданными характеристиками.
