Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται οι επιφάνειες αποτελεί μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις στη Φυσική. Το 1986, οι ερευνητές εισήγαγαν την εξίσωση Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), μια θεωρία σχεδιασμένη να περιγράφει την ανάπτυξη σε ένα ευρύ φάσμα συστημάτων. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό το πλαίσιο εφαρμόστηκε στα πάντα, από τον σχηματισμό κρυστάλλων και τη δυναμική των πληθυσμών μέχρι τη συμπεριφορά της φωτιάς, ακόμη και τη μηχανική μάθηση.
Η ιδέα είναι απλή αλλά ισχυρή: πολύ διαφορετικά συστήματα μπορεί να ακολουθούν τους ίδιους θεμελιώδεις κανόνες καθώς αναπτύσσονται.
Τώρα, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Würzburg έκαναν ένα σημαντικό βήμα. Μετά την προηγούμενη επιβεβαίωση σε μονοδιάστατα συστήματα το 2022, η ομάδα πέτυχε την πρώτη πειραματική απόδειξη ότι η θεωρία KPZ ισχύει επίσης και στις δύο διαστάσεις. Αυτό αποτελεί σημαντικό ορόσημο, δείχνοντας πόσο πραγματικά καθολικό είναι αυτό το μοντέλο
Γιατί η ανάπτυξη είναι τόσο δύσκολο να προβλεφθεί
«Όταν οι επιφάνειες αναπτύσσονται -είτε πρόκειται για κρυστάλλους, είτε για βακτήρια, είτε για μέτωπα φλόγας- η διαδικασία είναι πάντα μη γραμμική και τυχαία. Στη φυσική, περιγράφουμε τέτοια συστήματα ως συστήματα εκτός ισορροπίας», εξηγεί ο Siddhartha Dam, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Cluster of Excellence ct.qmat της έδρας Τεχνικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Würzburg.
«Ο σχεδιασμός ενός συστήματος ικανού να μετρά ταυτόχρονα πώς εξελίσσεται μια διαδικασία εκτός ισορροπίας στον χώρο και στον χρόνο είναι εξαιρετικά δύσκολος – κυρίως επειδή αυτές οι διαδικασίες εξελίσσονται σε υπερβραχείες χρονικές κλίμακες. Γι’ αυτόν τον λόγο η επαλήθευση του μοντέλου KPZ σε δύο διαστάσεις πήρε τόσο πολύ καιρό. Τώρα, καταφέραμε να ελέγξουμε ένα κβαντικό σύστημα εκτός ισορροπίας στο εργαστήριο, κάτι που μόλις πρόσφατα έγινε τεχνικά εφικτό».
Δημιουργία ενός Υπερψυχρού Κβαντικού Πειράματος
Για να ελέγξουν τη θεωρία, οι ερευνητές σχεδίασαν μια εξαιρετικά ελεγχόμενη κβαντική διάταξη. Έψυξαν έναν ημιαγωγό κατασκευασμένο από αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) στους −269,15°C και τον διέγειραν συνεχώς με ένα λέιζερ. Υπό αυτές τις συνθήκες, στο εσωτερικό του υλικού σχηματίστηκαν ασυνήθιστα σωματίδια που ονομάζονται πολαριτόνια .Τα πολαριτόνια είναι υβρίδια φωτός και ύλης, που συνδυάζουν φωτόνια με εξιτόνια. Υπάρχουν μόνο για ελάχιστο χρόνο και μόνο υπό συνθήκες εκτός ισορροπίας. Δημιουργούνται από το λέιζερ και εξαφανίζονται ξανά μέσα σε λίγα picoseconds (τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου), γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για τη μελέτη διαδικασιών ταχείας ανάπτυξης.
«Μπορούμε να παρακολουθήσουμε με ακρίβεια πού βρίσκονται τα πολαριτόνια μέσα στο υλικό. Όταν τροφοδοτούμε το σύστημα με φως, δημιουργούνται πολαριτόνι, δηλαδή το σύστημα αναπτύσσεται. Χρησιμοποιώντας προηγμένες πειραματικές τεχνικές, καταφέραμε να ποσοτικοποιήσουμε τόσο τη χωρική όσο και τη χρονική εξέλιξη αυτού του αναπτυσσόμενου κβαντικού συστήματος και διαπιστώσαμε ότι ακολουθεί το μοντέλο KPZ», εξηγεί ο Dam.
Από τη θεωρία στην πειραματική απόδειξη
Η ιδέα της δοκιμής της συμπεριφοράς KPZ σε ένα τέτοιο σύστημα προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Sebastian Diehl, καθηγητή στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Κολωνίας και μέλος της ερευνητικής ομάδας. Η ομάδα του ανέπτυξε τις θεωρητικές βάσεις το 2015.
Το 2022, ερευνητές στο Παρίσι κατάφεραν να επιβεβαιώσουν πειραματικά τις προβλέψεις της KPZ, αλλά μόνο σε ένα μονοδιάστατο σύστημα. Η επέκταση αυτού του εγχειρήματος σε δύο διαστάσεις αποδείχθηκε πολύ πιο δύσκολη. Τα νέα αποτελέσματα παρέχουν πλέον το κομμάτι που έλειπε.
«Η πειραματική επίδειξη της καθολικότητας KPZ σε δισδιάστατα συστήματα υλικών αναδεικνύει το πόσο θεμελιώδης είναι αυτή η εξίσωση για τα πραγματικά συστήματα εκτός ισορροπίας», δηλώνει ο Diehl, σχολιάζοντας το επίτευγμα της ομάδας του Würzburg.
Ο σχεδιασμός υλικών ακριβείας το καθιστά δυνατό
Ένα καθοριστικό κομμάτι αυτής της εξέλιξης ήταν η ικανότητα προσεκτικού σχεδιασμού του ίδιου του υλικού. Η ομάδα δημιούργησε μια σύνθετη δομή στην οποία στρώματα κατόπτρων εγκλωβίζουν φωτόνια μέσα σε ένα κεντρικό «κβαντικό φιλμ». Μέσα σε αυτή τη στιβάδα, τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με τα εξιτόνια του αρσενικούχου γαλλίου, σχηματίζοντας πολαριτόνια τα οποία μπορούν να παρατηρηθούν καθώς εξελίσσονται.
«Ελέγχοντας με ακρίβεια το πάχος των μεμονωμένων στρωμάτων του υλικού μέσω της επιταξίας μοριακής δέσμης, καταφέραμε να ρυθμίσουμε τις οπτικές τους ιδιότητες και, ως εκ τούτου, να κατασκευάσουμε τα απαραίτητα κάτοπτρα υψηλής ανακλαστικότητας σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού», εξηγεί ο Simon Widmann, διδακτορικός ερευνητής στην έδρα Τεχνικής Φυσικής, ο οποίος διεξήγαγε τα πειράματα μαζί με τον Siddhartha Dam.
«Ελέγχουμε πώς αναπτύσσεται το υλικό άτομο προς άτομο και μπορούμε να ρυθμίσουμε με ακρίβεια όλες τις παραμέτρους του πειράματος, για παράδειγμα, το λέιζερ, το οποίο πρέπει να διεγείρει το δείγμα με ακρίβεια μικρομέτρου. Αυτό το επίπεδο ελέγχου ήταν απαραίτητο για την επιτυχή επίδειξη της καθολικότητας του KPZ».
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου