Физики впервые подтвердили КПЖ-уравнение для двумерных систем

Международные физики впервые в истории подтвердили экспериментально корректность уравнения Кардара — Паризи — Чжана (КПЖ) для двумерных систем, используя квантовые поляритоны в специально созданной структуре из арсенида галлия. Исследование опубликовано в журнале Science.

• КПЖ-уравнение описывает рост поверхностей и процессы на границе двух сред.
• Модель применима в физике, биологии, математике и компьютерных науках.
• Ранее экспериментальное подтверждение было только для одномерных систем (2022 год).
• Двумерные системы исследовали с помощью сложной квантовой структуры на основе GaAs при температуре минус 269,15 °C.
• В эксперименте изучали поведение поляритонов, образующихся в квантовом пленочном слое.
• Результаты подтвердили точное соответствие квантовой эволюции модели КПЖ.

История и значение уравнения КПЖ

Уравнение Кардара — Паризи — Чжана было сформулировано в 1986 году и с тех пор считается универсальным инструментом для описания динамики роста и процессов на границе разных сред. Оно успешно применяется для прогнозирования развития бактериальных колоний, распространения пламени и формирования кристаллов. Универсальность уравнения позволяет использовать его даже в разработке алгоритмов машинного обучения.

Однако точное экспериментальное подтверждение соответствия реальных процессов теории представляло собой серьезную научную задачу. В 2022 году ученым удалось подтвердить модель для одномерных систем, а теперь впервые доказано, что она работает и для двумерных.

Экспериментальные методы и результаты

Для проведения эксперимента была изготовлена многослойная структура из арсенида галлия (GaAs) методом молекулярно-лучевой эпитаксии, обеспечивающей атомарную точность толщины слоев и исключительную чистоту. Образец охлаждали до температуры около -269 °C и непрерывно накачивали лазерным излучением. Внутренние зеркальные слои удерживали фотоны, которые соединялись с экситонами, формируя поляритоны — квазичастицы, за которыми и велось наблюдение.

Ученые смогли с высокой точностью отслеживать пространственное и временное развитие поляритонов. Результаты показали, что эволюция системы полностью соответствует предсказаниям модели КПЖ, подтверждая универсальность и применимость уравнения для двумерных квантовых систем.

По словам одного из авторов исследования, Сиддхартха Дама, полученный уровень контроля над квантовой системой позволил впервые увидеть точное соответствие между реальными физическими процессами и математической моделью. Это важный шаг для науки, открывающий новые возможности в изучении неравновесных и хаотичных систем.