At beskrive forskellige systemer ved hjælp af den samme grundlæggende lov er en gammel idé. I begyndelsen af 18-tallet fødte den franske matematiker Évariste Galois for eksempel gruppeteori, som er en vigtig del af matematikken, men som også har fundet konkrete anvendelser inden for fysik og kemi. I statistisk fysik kan andre matematiske værktøjer kaldet universalitetsklasser beskrive systemer med de samme makroskopiske karakteristika, selvom de mikroskopiske detaljer i disse systemer kan være meget forskellige. Nogle universalitetsklasser bruger kun nogle få parametre til at beskrive systemer sammensat af et stort antal partikler i termisk ligevægt.
De fleste systemer i naturen er dog ikke i ligevægt. I 1986 udledte Mehran Kardar, Giorgio Parisi og Yi-Cheng Zhang Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) ligningen. Dette gennembrud skabte KPZ universalitetsklassen, som beskriver dynamikken i en lang række grænseflader. Disse omfatter krystallinske overflader, skovbrandsfronter og frost på et vindue. Det er systemer, der udvider og krymper på en tilfældig måde og er derfor klassificeret som ude af ligevægtssystemer.
Nu Sylvain Ravets , Jacqueline Bloch ved Frankrigs Université Paris-Saclay og et internationalt team af samarbejdspartnere har lavet et eksperiment, der viser, at polaritoniske Bose-Einstein-kondensater (BEC'er) kunne udgøre en afstembar platform til at studere KPZ-universalitetsklassen og dens rige fysik. De rapporterer deres resultater i Natur.
Lys og stof kvasipartikel
Exciton–polaritons – ofte blot kaldet polaritoner – er kvasipartikler, der opstår fra koblingen mellem fotoner og elektron-hul-par, som i sig selv kaldes excitoner. I deres eksperiment brugte holdet en laser til at udsende fotoner, der er begrænset i et Fabry-Perot-mikrohulrum. Denne er sammensat af to fordelte Bragg-reflektorer som vist på figuren. Fotonerne absorberes af halvlederkvantebrønde, der er indlejret i hulrummet, hvilket skaber excitoner. Derefter tilintetgør excitonerne ved elektron-hul-rekombination og skaber fotoner igen. Dette giver anledning til polaritoner, hvis processen sker adskillige gange, før fotoner undslipper hulrummet.
En vigtig egenskab ved polaritoner er, at de er bosoner og derfor ikke er underlagt Pauli-udelukkelsesprincippet. Derfor er det muligt at skabe en polaritonisk BEC, som er sammensat af et makroskopisk antal kvasipartikler i en enkelt kvantetilstand. Sammenlignet med BEC'er lavet af atomare gasser, som skal afkøles til submikrokelvin-temperaturer, kan polaritoniske kondensater normalt dannes ved temperaturer på nogle få kelvin - og nogle gange ved stuetemperatur - afhængigt af de anvendte halvledere. En anden vigtig forskel mellem atomare og polaritoniske BEC'er er, at atomare BEC'er er i termisk ligevægt, mens polaritoniske BEC'er er ude af ligevægtssystemer. For at opretholde et polaritonisk kondensat skal forskerne faktisk konstant excitere hulrummet med en laser for at stabilisere antallet af fotoner, der går ind og ud af systemet.
Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann og Giorgio Parisi vinder 2021 Nobelprisen i fysik
KPZ-ligningen blev først brugt til at beskrive den tilfældige dynamik i systemer uden for ligevægt, såsom grænsefladen mellem ekspanderende bakteriekolonier. Det har faktisk vist sig, at næsten alle voksende grænseflader falder ind under KPZ-universalitetsklassen. Ravets, Bloch og kolleger målte fasen af deres polaritoniske BEC'er og demonstrerede, at den falder ind under KPZ universalitetsklassen. Dette bekræfter en forudsigelse, der blev lavet i 2015. Mere præcist har de vist, ved hjælp af optisk interferometri, at henfaldet af fasen af et 1D polaritonkondensat følger KPZ-skaleringsloven, både numerisk og eksperimentelt.
"Ud over 1D tilbyder exciton-polariton-gitter spændende perspektiver for udforskningen af KPZ-fysik i 2D, hvor en eksperimentel realisering er meget eftertragtet," skriver teamet i Natur. Polaritoniske eksperimenter kan også styres præcist, hvilket betyder, at deres forskning baner vejen for en afstembar polaritonisk platform til at studere forskellige kvantesystemer, der ikke er ligevægtige, tilhørende KPZ og andre universalitetsklasser.
