Het beschrijven van verschillende systemen met behulp van dezelfde fundamentele wet is een oud idee. Zo bracht de Franse wiskundige Évariste Galois in het begin van de 18e eeuw de groepentheorie voort, een belangrijk onderdeel van de wiskunde, maar die ook concrete toepassingen heeft gevonden in de natuurkunde en scheikunde. In de statistische fysica kunnen andere wiskundige hulpmiddelen, universaliteitsklassen genaamd, systemen beschrijven met dezelfde macroscopische kenmerken, hoewel de microscopische details van deze systemen heel verschillend kunnen zijn. Sommige universaliteitsklassen gebruiken slechts enkele parameters om systemen te beschrijven die zijn samengesteld uit een groot aantal deeltjes in thermisch evenwicht.
De meeste systemen in de natuur zijn echter niet in evenwicht. In 1986 leidden Mehran Kardar, Giorgio Parisi en Yi-Cheng Zhang de Kardar-Parisi-Zhang (KPZ)-vergelijking af. Deze doorbraak creëerde de KPZ-universaliteitsklasse, die de dynamiek van een breed scala aan interfaces beschrijft. Deze omvatten kristallijne oppervlakken, natuurbrandfronten en rijp op een raam. Dit zijn systemen die op een willekeurige manier uitzetten en krimpen en worden daarom geclassificeerd als systemen die niet in evenwicht zijn.
Nu, Sylvain Ravets en Jaqueline Bloch aan de Franse Université Paris-Saclay en een internationaal team van medewerkers hebben een experiment gedaan dat aantoont dat polaritonische Bose-Einstein-condensaten (BEC's) een afstembaar platform kunnen bieden om de KPZ-universaliteitsklasse en zijn rijke fysica te bestuderen. Ze rapporteren hun resultaten in NATUUR.
Licht en materie quasideeltje
Exciton-polaritonen - vaak eenvoudigweg genoemd polaritonen – zijn quasideeltjes die ontstaan uit de koppeling tussen fotonen en elektron-gatparen, die zelf excitonen worden genoemd. In hun experiment gebruikte het team een laser om fotonen uit te zenden die zijn opgesloten in een microholte van Fabry-Perot. Deze is samengesteld uit twee verdeelde Bragg-reflectoren, zoals weergegeven in de afbeelding. De fotonen worden geabsorbeerd door halfgeleiderkwantumputten die in de holte zijn ingebed, waardoor excitonen ontstaan. Vervolgens vernietigen de excitonen door elektron-gat recombinatie en creëren opnieuw fotonen. Dit geeft aanleiding tot polaritonen als het proces meerdere keren plaatsvindt voordat fotonen uit de holte ontsnappen.
Een belangrijke eigenschap van polaritonen is dat het bosonen zijn en daarom niet onderhevig zijn aan het Pauli-uitsluitingsprincipe. Daarom is het mogelijk om een polaritonische BEC te creëren, die is samengesteld uit een macroscopisch aantal quasideeltjes in een enkele kwantumtoestand. Vergeleken met BEC's gemaakt van atomaire gassen, die moeten worden gekoeld tot temperaturen onder de microkelvin, kunnen polaritonische condensaten normaal gesproken worden gecreëerd bij temperaturen van enkele kelvin - en soms bij kamertemperatuur - afhankelijk van de gebruikte halfgeleiders. Een ander belangrijk verschil tussen atomaire en polaritonische BEC's is dat atomaire BEC's in thermisch evenwicht zijn, terwijl polaritonische BEC's buiten evenwicht zijn. Om een polaritonisch condensaat te behouden, moeten wetenschappers de holte continu prikkelen met een laser om het aantal fotonen dat het systeem in en uit gaat te stabiliseren.
Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann en Giorgio Parisi winnen de Nobelprijs voor natuurkunde 2021
De KPZ-vergelijking werd voor het eerst gebruikt om de lukrake dynamiek van systemen buiten evenwicht te beschrijven, zoals de interface van zich uitbreidende bacteriekolonies. Het is inderdaad aangetoond dat bijna alle groeiende interfaces in de KPZ-universaliteitsklasse vallen. Ravets, Bloch en collega's maten de fase van hun polaritonische BEC's en toonden aan dat deze in de KPZ-universaliteitsklasse valt. Dit bevestigt een voorspelling die in 2015 werd gedaan. Meer precies, ze hebben met behulp van optische interferometrie aangetoond dat het verval van de fase van een 1D polaritoncondensaat de KPZ-schaalwet volgt, zowel numeriek als experimenteel.
"Naast 1D bieden exciton-polaritonroosters opwindende perspectieven voor de verkenning van KPZ-fysica in 2D, waar een experimentele realisatie zeer gewild is", schrijft het team in NATUUR. Ook kunnen polaritonische experimenten nauwkeurig worden gecontroleerd, wat betekent dat hun onderzoek de weg vrijmaakt voor een afstembaar polaritonische platform om verschillende kwantumsystemen buiten evenwicht te bestuderen die behoren tot de KPZ en andere universaliteitsklassen.
