Опис різних систем за допомогою одного і того ж фундаментального закону є давньою ідеєю. Наприклад, на початку 18 століття французький математик Еваріст Галуа започаткував теорію груп, яка є важливою частиною математики, але також знайшла конкретне застосування у фізиці та хімії. У статистичній фізиці інші математичні інструменти, які називаються класами універсальності, можуть описувати системи з однаковими макроскопічними характеристиками, хоча мікроскопічні деталі цих систем можуть дуже відрізнятися. Деякі класи універсальності використовують лише кілька параметрів для опису систем, що складаються з великої кількості частинок у тепловій рівновазі.
Однак більшість систем у природі не знаходяться в рівновазі. У 1986 році Мехран Кардар, Джорджіо Парізі та І-Чен Чжан вивели рівняння Кардара-Парізі-Жанга (KPZ). Цей прорив створив клас універсальності KPZ, який описує динаміку широкого діапазону інтерфейсів. До них відносяться кристалічні поверхні, фронти лісової пожежі та іній на вікні. Це системи, які випадковим чином розширюються та звужуються, тому класифікуються як нерівноважні системи.
тепер, Сільвен Раветс та Жаклін Блох у французькому Університеті Париж-Сакле та міжнародна команда співробітників провели експеримент, який показує, що поляритонні конденсати Бозе-Ейнштейна (BEC) можуть забезпечити регульовану платформу для вивчення класу універсальності KPZ та його багатої фізики. Про свої результати вони повідомляють у природа.
Світло і квазічастинка матерії
Екситон-поляритони – часто називають просто поляритони – це квазічастинки, що виникають внаслідок взаємодії між фотонами та електронно-дірковими парами, які самі називаються екситонами. У своєму експерименті команда використовувала лазер для випромінювання фотонів, які обмежені мікропорожниною Фабрі-Перо. Він складається з двох розподілених рефлекторів Брегга, як показано на малюнку. Фотони поглинаються напівпровідниковими квантовими ямами, які вбудовані в порожнину, створюючи екситони. Потім екситони анігілюють шляхом електронно-діркової рекомбінації та знову створюють фотони. Це призводить до появи поляритонів, якщо процес відбувається кілька разів, перш ніж фотони покинуть порожнину.
Важливою властивістю поляритонів є те, що вони є бозонами і тому не підпадають під дію принципу виключення Паулі. Таким чином, можна створити поляритонний BEC, який складається з макроскопічної кількості квазічастинок в одному квантовому стані. Порівняно з BEC, виготовленими з атомарних газів, які потрібно охолоджувати до температур нижче мікрокельвіна, поляритонні конденсати зазвичай можуть утворюватися при температурах кількох кельвінів, а іноді й при кімнатній температурі, залежно від використовуваних напівпровідників. Ще одна важлива відмінність між атомними та поляритонними BEC полягає в тому, що атомні BEC знаходяться в тепловій рівновазі, тоді як поляритонні BEC є нерівноважними системами. Дійсно, щоб підтримувати поляритонний конденсат, вчені повинні постійно збуджувати порожнину лазером, щоб стабілізувати кількість фотонів, що входять і виходять із системи.
Нобелівську премію з фізики 2021 року отримають Сюкуро Манабе, Клаус Гассельманн і Джорджіо Парізі
Рівняння KPZ вперше було використано для опису випадкової динаміки нерівноважних систем, таких як поверхня розширених бактеріальних колоній. Дійсно, було показано, що майже всі зростаючі інтерфейси належать до класу універсальності KPZ. Раветс, Блох та колеги виміряли фазу своїх поляритонних BEC і продемонстрували, що вона відноситься до класу універсальності KPZ. Це підтверджує прогноз, зроблений у 2015 році. Точніше, вони показали, використовуючи оптичну інтерферометрію, що розпад фази 1D поляритонного конденсату відповідає закону масштабування KPZ, як чисельно, так і експериментально.
«Окрім 1D, екситон-поляритонні решітки пропонують захоплюючі перспективи для дослідження фізики KPZ у 2D, де експериментальна реалізація є дуже затребуваною», — пише команда в природа. Крім того, можна точно контролювати поляритонні експерименти, а це означає, що їхні дослідження відкривають шлях до регульованої поляритонної платформи для вивчення різних нерівноважних квантових систем, що належать до KPZ та інших класів універсальності.
