同じ基本法則を使用して異なるシステムを記述することは、古くからの考えです。 たとえば、18 世紀初頭、フランスの数学者エヴァリスト ガロアは群論を生み出しました。群論は数学の重要な部分ですが、物理学や化学にも具体的な応用が見出されました。 統計物理学では、普遍性クラスと呼ばれる他の数学的ツールは、同じ巨視的特性を持つシステムを記述することができますが、これらのシステムの微視的な詳細は非常に異なる場合があります。 一部の普遍性クラスでは、熱平衡状態にある多数の粒子で構成されるシステムを記述するために、わずかなパラメーターのみを使用します。
しかし、自然界のほとんどのシステムは平衡状態にありません。 1986 年、Mehran Kardar、Giorgio Parisi、および Yi-Cheng Zhang は、Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) 方程式を導出しました。 このブレークスルーにより、幅広いインターフェイスのダイナミクスを記述する KPZ 普遍性クラスが作成されました。 これらには、結晶面、山火事の前線、窓の霜が含まれます。 これらは、ランダムな方法で拡大および縮小するシステムであるため、非平衡システムとして分類されます。
今、 シルヴァン・ラヴェッツ および ジャクリーン・ブロック フランスのパリサクレー大学と共同研究者の国際チームは、ポラリトニックなボース・アインシュタイン凝縮体 (BEC) が KPZ の普遍性クラスとその豊かな物理学を研究するための調整可能なプラットフォームを提供できることを示す実験を行いました。 彼らはその結果を 自然.
光と物質の準粒子
励起子 - ポラリトン - 多くの場合、単に呼ばれます ポラリトン – それ自体が励起子と呼ばれる、光子と電子 - 正孔ペアの間の結合から生じる準粒子です。 彼らの実験では、チームはレーザーを使用して、ファブリペローマイクロキャビティ内に閉じ込められた光子を放出しました。 これは、図に示すように、XNUMX つの分布ブラッグ反射器で構成されています。 光子は、空洞に埋め込まれた半導体量子井戸に吸収され、励起子を生成します。 その後、励起子は電子と正孔の再結合によって消滅し、再び光子を生成します。 光子が空洞を脱出する前にプロセスが何度も発生すると、ポラリトンが発生します。
ポラリトンの重要な特性は、それらがボソンであるため、パウリの排他原理の影響を受けないことです。 したがって、単一量子状態の巨視的な数の準粒子で構成されるポラリトニック BEC を作成することが可能です。 マイクロケルビン未満の温度に冷却する必要がある原子ガスから作られた BEC と比較して、ポラリトニック凝縮は通常、使用する半導体に応じて、数ケルビンの温度で、場合によっては室温で生成できます。 原子 BEC とポラリトニック BEC のもう XNUMX つの重要な違いは、原子 BEC が熱平衡状態にあるのに対し、ポラリトン BEC は非平衡系であることです。 実際、ポラリトニック凝縮を維持するために、科学者はレーザーで空洞を連続的に励起して、系に出入りする光子の数を安定させなければなりません。
真鍋淑郎、クラウス・ハッセルマン、ジョルジオ・パリシが2021年のノーベル物理学賞を受賞
KPZ 式は、細菌コロニーの拡大の界面など、平衡状態にないシステムの無計画なダイナミクスを記述するために最初に使用されました。 実際、成長しているほぼすべてのインターフェースが KPZ 普遍性クラスに分類されることが示されています。 Ravets、Bloch、および同僚は、ポラリトニック BEC の位相を測定し、それが KPZ 普遍性クラスに分類されることを実証しました。 これは、2015 年に行われた予測を裏付けるものです。より正確には、光干渉法を使用して、1D ポラリトン凝縮体の位相の減衰が KPZ スケーリング則に従うことを、数値的にも実験的にも示しました。
「1Dを超えて、励起子-ポラリトン格子は、実験的な実現が非常に求められている2DでのKPZ物理学の探求に刺激的な展望を提供します」とチームは書いています。 自然. また、ポラリトニック実験は正確に制御できます。つまり、彼らの研究は、KPZ や他の普遍性クラスに属するさまざまな非平衡量子システムを研究するための調整可能なポラリトニック プラットフォームへの道を開くことを意味します。
