Å beskrive forskjellige systemer ved å bruke samme grunnleggende lov er en eldgammel idé. På begynnelsen av 18-tallet fødte for eksempel den franske matematikeren Évariste Galois gruppeteori, som er en viktig del av matematikken, men som også har funnet konkrete anvendelser innen fysikk og kjemi. I statistisk fysikk kan andre matematiske verktøy kalt universalitetsklasser beskrive systemer med de samme makroskopiske egenskapene, selv om de mikroskopiske detaljene til disse systemene kan være svært forskjellige. Noen universalitetsklasser bruker bare noen få parametere for å beskrive systemer som består av et stort antall partikler i termisk likevekt.
Imidlertid er de fleste systemer i naturen ikke i likevekt. I 1986 utledet Mehran Kardar, Giorgio Parisi og Yi-Cheng Zhang Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) ligningen. Dette gjennombruddet skapte KPZ-universalitetsklassen, som beskriver dynamikken til et bredt spekter av grensesnitt. Disse inkluderer krystallinske overflater, skogbrannfronter og frost på et vindu. Dette er systemer som ekspanderer og krymper på en tilfeldig måte og klassifiseres derfor som systemer utenfor likevekt.
Nå, Sylvain Ravets og Jacqueline Bloch ved Frankrikes Université Paris-Saclay og et internasjonalt team av samarbeidspartnere har gjort et eksperiment som viser at polaritoniske Bose-Einstein-kondensater (BECs) kan gi en justerbar plattform for å studere KPZ-universalitetsklassen og dens rike fysikk. De rapporterer resultatene sine i Natur.
Lys og materie kvasipartikkel
Exciton–polaritoner – ofte bare kalt polaritoner – er kvasipartikler som oppstår fra koblingen mellom fotoner og elektron-hull-par, som i seg selv kalles eksitoner. I eksperimentet deres brukte teamet en laser for å sende ut fotoner som er begrenset i et Fabry-Perot-mikrohulrom. Denne er satt sammen av to fordelte Bragg-reflektorer som vist på figuren. Fotonene absorberes av halvlederkvantebrønner som er innebygd i hulrommet, og skaper eksitoner. Deretter tilintetgjør eksitonene ved elektron-hull-rekombinasjon og skaper fotoner igjen. Dette gir opphav til polaritoner hvis prosessen skjer flere ganger før fotoner slipper ut av hulrommet.
En viktig egenskap ved polaritoner er at de er bosoner, og derfor ikke er underlagt Pauli-eksklusjonsprinsippet. Derfor er det mulig å lage en polaritonisk BEC, som er sammensatt av et makroskopisk antall kvasipartikler i en enkelt kvantetilstand. Sammenlignet med BEC-er laget av atomgasser, som må avkjøles til submikrokelvin-temperaturer, kan polaritoniske kondensater normalt dannes ved temperaturer på noen få kelvin - og noen ganger ved romtemperatur - avhengig av halvlederne som brukes. En annen viktig forskjell mellom atomære og polaritoniske BEC-er er at atom-BEC-er er i termisk likevekt, mens polaritoniske BEC-er er systemer utenfor likevekt. Faktisk, for å opprettholde et polaritonisk kondensat, må forskere kontinuerlig eksitere hulrommet med en laser for å stabilisere antallet fotoner som går inn og ut av systemet.
Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann og Giorgio Parisi vinner Nobelprisen i fysikk 2021
KPZ-ligningen ble først brukt til å beskrive den tilfeldige dynamikken til systemer utenfor likevekt, for eksempel grensesnittet til ekspanderende bakteriekolonier. Det har faktisk vist seg at nesten alle voksende grensesnitt faller inn i KPZ-universalitetsklassen. Ravets, Bloch og kolleger målte fasen til deres polaritoniske BEC-er og demonstrerte at den faller inn i KPZ-universalitetsklassen. Dette bekrefter en prediksjon som ble gjort i 2015. Mer presist har de vist, ved hjelp av optisk interferometri, at nedbrytningen av fasen til et 1D polaritonkondensat følger KPZ-skaleringsloven, både numerisk og eksperimentelt.
"Utover 1D tilbyr exciton-polariton-gitter spennende perspektiver for utforskning av KPZ-fysikk i 2D, der en eksperimentell realisering er svært ettertraktet," skriver teamet i Natur. Polaritoniske eksperimenter kan også kontrolleres nøyaktig, noe som betyr at forskningen deres baner vei for en avstembar polaritonisk plattform for å studere ulike kvantesystemer som ikke er likevektsmessige som tilhører KPZ og andre universalitetsklasser.
