Würzburg Üniversitesi'nden araştırmacılar, ilk kez, iki boyutlu bir kuantum sistemindeki kaotik büyümenin 40 yıllık bir fizik teorisini doğrulayarak Kardar–Parisi–Zhang (KPZ) denklemini takip ettiğini gösterdi. Yıllardır fizikçiler, yayılan alevlerden büyüyen bakterilere kadar yüksek derecede düzensiz büyümelerin bile gizli istatistiksel kurallara uyduğuna inanıyordu.
Yüzeylerin rastgele koşullar altında nasıl geliştiğini tanımlayan KPZ modeli, o zamana kadar yalnızca basit, tek boyutlu sistemlerde doğrulanabilmişti. Zira söz konusu sistemlerdeki aşırı hızlar ve ölçekler nedeniyle daha gerçekçi iki boyutlu ortamlara genişletilmesi deneysel olarak imkansız kalmıştı. Bilim dergisinde yayımlanan araştırmacıların bulguları, bu alandaki uzun süredir devam eden bir boşluğu kapatarak teorinin iki boyutlu sistemlere de genişlediğini kanıtlıyor.
Bu atılım, bilim insanlarının gerçek dünyadaki, denge dışı sistemlerdeki karmaşık büyüme süreçlerinin anlaşılmasını ve modellenmesini geliştiriyor.
Araştırma ekibinin bir üyesi ve makalenin ortak yazarı Siddhartha Dam, “Kristaller, bakteriler veya alev cepheleri gibi yüzeyler büyüdüğünde, süreç her zaman doğrusal olmayan ve rastgeledir. Fizikte bu tür sistemleri denge dışı olarak tanımlarız,” açıklamasını yaptı.
Dam, “Bir denge dışı sürecin hem uzayda hem de zamanda nasıl geliştiğini aynı anda ölçebilen bir sistem mühendisliği son derece zorludur; özellikle de bu süreçler ultra kısa zaman ölçeklerinde geliştiği için. Bu yüzden KPZ modelini iki boyutta doğrulamak bu kadar uzun sürdü. Artık laboratuvarda bir denge dışı kuantum sistemini kontrol etmeyi başardık ki bu da yalnızca son zamanlarda teknik olarak mümkün hale geldi,” diye ekledi.
Bunu başarmak için ekip, mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa (-269.15°C) soğutulmuş bir galyum arsenit (GaAs) yarı iletken kullanarak oldukça kontrollü bir kuantum sistemi tasarladı. Malzemeyi sürekli bir lazerle aydınlatarak, pikosaniyeler içinde oluşan ve bozunan, ışık ve maddenin bir karışımı olan polariton adı verilen kısa ömürlü hibrit parçacıklar ürettiler.
Bu polaritonlar, hızla gelişen bir "büyüme" sistemi gibi davranır. Malzeme üzerinde oluşturulup yayıldıkça, dağılımları hem uzayda hem de zamanda değişerek araştırmacıların sistemin doğası gereği rastgele koşullar altında nasıl geliştiğini izlemesine olanak tanır.
Spektroskopi ve Michelson interferometresi kullanarak ekip, bu gelişimi hassas bir şekilde izleyerek sistemdeki dalgalanmaların nasıl ölçeklendiğini ve yayıldığını yakaladı. Analizleri, polaritonların davranışının, KPZ denkleminin iki boyuttaki istatistiksel desenleriyle yakından eşleştiğini ortaya koydu.
