Quantenphysik: Forscher weisen universelles Wachstum in 2D nach
Ob sich Eiskristalle an einer Fensterscheibe ausbreiten, Bakterienkulturen in einer Petrischale wachsen oder sich eine Feuerfront durch trockenes Holz frisst: All diese Prozesse folgen einem mathematischen Gesetz, der sogenannten KPZ-Gleichung. Diese 1986 aufgestellte Theorie beschreibt, wie unebene Oberflächen durch zufällige Einflüsse wachsen. Während dieses Modell in der Theorie als Standardwerkzeug für Physik, Mathematik, Biologie und Informatik gilt, fehlte bislang ein experimenteller Beweis für zweidimensionale Flächen – nachdem eine Pariser Forschungsgruppe 2022 den Nachweis immerhin für eindimensionale Systeme erbracht hatte. Einem Forschungsteam der Universität Würzburg und der TU Dresden ist dieser Nachweis nun erstmals für zwei Dimensionen in einem Quantensystem gelungen(öffnet im neuen Fenster).
Präzisionsarbeit bei minus 269 Grad Celsius
Für das Experiment kühlten die Wissenschaftler eine Halbleiterprobe aus Galliumarsenid (GaAs) auf eine Temperatur von -269,15 Grad Celsius ab. Mittels Molekularstrahlepitaxie erzeugten sie eine komplexe Struktur aus Spiegelschichten, die Lichtteilchen (Photonen) in einem sogenannten Quantenfilm einschließen. Durch die Bestrahlung mit einem Laser verbanden sich diese Photonen mit Materieteilchen (Exzitonen) zu Polaritonen.
Diese Teilchenmischung existiert nur für wenige Picosekunden im Nicht-Gleichgewicht, bevor sie das System wieder verlässt. Da Polaritonen durch die Laseranregung stetig neu entstehen, bilden sie ein wachsendes System. Die Forscher kontrollierten die Schichtdicke der Materiallagen atomgenau, um die optischen Eigenschaften gezielt einzustellen. Dies ermöglichte es, die Orts- und Zeitabhängigkeit des wachsenden Quantensystems präzise zu quantifizieren.
Bestätigung einer fundamentalen Theorie
Die Messungen belegen, dass die Dynamik der Polaritonen mit der KPZ-Universalitätsklasse übereinstimmt. Damit gelang der weltweit erste Nachweis der Theorie für 2D-Oberflächen. Zuvor gab es im Jahr 2022 lediglich einen Nachweis für eindimensionale Systeme durch eine Forschungsgruppe aus Paris.
Laut den beteiligten Wissenschaftlern war der Versuchsaufbau technisch erst seit Kurzem realisierbar, da die Prozesse auf extrem kurzen Zeitskalen ablaufen. Die Ergebnisse unterstreichen die fundamentale Bedeutung der KPZ-Gleichung für reale Nicht-Gleichgewichtssysteme. Das Projekt wurde im Rahmen des Exzellenzclusters ctd.qmat(öffnet im neuen Fenster) durchgeführt.