A különböző rendszerek leírása ugyanazon alaptörvény segítségével ősi gondolat. A 18. század elején például a francia matematikus, Évariste Galois szülte meg a csoportelméletet, amely a matematika fontos része, de a fizikában és a kémiában is konkrét alkalmazásra talált. A statisztikus fizikában más matematikai eszközökkel, amelyeket univerzalitási osztályoknak nevezünk, ugyanolyan makroszkopikus jellemzőkkel rendelkező rendszereket írhatnak le, bár ezeknek a rendszereknek a mikroszkópos részletei nagyon eltérőek lehetnek. Egyes egyetemességi osztályok csak néhány paramétert használnak a nagyszámú termikus egyensúlyban lévő részecskéből álló rendszerek leírására.
A legtöbb természeti rendszer azonban nincs egyensúlyban. 1986-ban Mehran Kardar, Giorgio Parisi és Yi-Cheng Zhang levezették a Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) egyenletet. Ez az áttörés létrehozta a KPZ univerzalitási osztályt, amely az interfészek széles skálájának dinamikáját írja le. Ide tartoznak a kristályos felületek, a tűzfrontok és az ablakon lévő fagy. Ezek olyan rendszerek, amelyek véletlenszerűen bővülnek és zsugorodnak, ezért az egyensúlyon kívüli rendszereknek minősülnek.
Most, Sylvain Ravets és a Jacqueline Bloch a francia Université Paris-Saclay és egy nemzetközi munkatársak egy kísérletet végzett, amely azt mutatja, hogy a polaritonos Bose-Einstein kondenzátumok (BEC) hangolható platformot biztosíthatnak a KPZ univerzalitási osztályának és gazdag fizikájának tanulmányozásához. Eredményeikről beszámolnak Természet.
Fény és anyag kvázi részecske
Exciton-polaritonok – gyakran egyszerűen nevezik polaritonok – fotonok és elektron-lyuk párok kapcsolódásából származó kvázi részecskék, amelyeket magukat excitonoknak neveznek. Kísérletükben a csapat egy lézert használt fotonok kibocsátására, amelyek egy Fabry-Perot mikroüregben vannak. Ez két elosztott Bragg reflektorból áll, amint az az ábrán látható. A fotonokat az üregbe ágyazott félvezető kvantumkutak abszorbeálják, és excitonokat hoznak létre. Ezután az excitonok elektron-lyuk rekombinációval megsemmisülnek, és ismét fotonokat hoznak létre. Ez polaritonokat eredményez, ha a folyamat többször megtörténik, mielőtt a fotonok kiszabadulnának az üregből.
A polaritonok fontos tulajdonsága, hogy bozonok, ezért nem vonatkoznak rájuk a Pauli-féle kizárási elv. Így lehetséges egy polaritonikus BEC létrehozása, amely makroszkopikus számú kvázirészecskéből áll egyetlen kvantumállapotban. Az atomi gázokból készült BEC-ekhez képest, amelyeket mikrokelvin alatti hőmérsékletre kell hűteni, a polaritonos kondenzátumok általában néhány kelvin hőmérsékleten – és néha szobahőmérsékleten – is képződnek, az alkalmazott félvezetőktől függően. Egy másik fontos különbség az atomi és a polaritonos BEC-ek között, hogy az atomi BEC-ek termikus egyensúlyban vannak, míg a polaritonos BEC-ek egyensúlyon kívüli rendszerek. Valójában a polaritonos kondenzátum fenntartásához a tudósoknak folyamatosan lézerrel kell gerjeszteniük az üreget, hogy stabilizálják a rendszerbe be- és kilépő fotonok számát.
Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann és Giorgio Parisi kapja a 2021-es fizikai Nobel-díjat
A KPZ egyenletet először az egyensúlyon kívüli rendszerek véletlenszerű dinamikájának leírására használták, például a terjeszkedő baktériumkolóniák interfészét. Valójában kimutatták, hogy szinte minden növekvő interfész a KPZ egyetemességi osztályába tartozik. Ravets, Bloch és munkatársai megmérték polaritonos BEC-jeik fázisát, és kimutatták, hogy az a KPZ univerzalitási osztályba tartozik. Ez megerősít egy 2015-ben megfogalmazott jóslatot. Pontosabban, optikai interferometria segítségével kimutatták, hogy az 1D polariton kondenzátum fázisának csillapítása követi a KPZ skálázási törvényt, mind numerikusan, mind kísérletileg.
"Az 1D-n túl az exciton-polariton rácsok izgalmas perspektívákat kínálnak a KPZ fizika 2D-s feltárásához, ahol nagyon keresettek a kísérleti megvalósítás" - írja a csapat Természet. Emellett a polaritonikus kísérletek precízen irányíthatók, ami azt jelenti, hogy kutatásaik utat nyitnak egy hangolható polaritonikus platformhoz, amellyel a KPZ-hez és más univerzalitási osztályokhoz tartozó különféle egyensúlyon kívüli kvantumrendszereket tanulmányozhatnak.
