Comment les surfaces se développent : une équipe de chercheurs démontre une croissance universelle en 2D
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Cristaux, colonies bactériennes, fronts de flamme : la croissance des surfaces a été décrite pour la première fois dans les années 1980 par l'équation de Kardar-Parisi-Zhang. Depuis lors, cette équation est considérée comme un modèle fondamental en physique, avec des implications pour les mathématiques, la biologie et l'informatique. Aujourd'hui, quarante ans plus tard, une équipe de recherche du pôle d'excellence ctd.qmat, basée à Würzburg, a réalisé la première démonstration expérimentale du comportement de KPZ sur des surfaces 2D dans l'espace et le temps. Cela a été possible grâce à une ingénierie des matériaux sophistiquée et à une approche expérimentale audacieuse : les chercheurs ont injecté des polaritons - des particules hybrides composées de lumière et de matière - dans le matériau. Les résultats ont été publiés dans Science.
Quarante ans d'universalité de la croissance
La question de la croissance des surfaces est l'un des problèmes les plus fondamentaux de la physique. En 1986, trois physiciens ont jeté les bases d'une théorie universelle de la croissance avec l'équation de Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), un cadre dont les applications s'étendent à la physique, aux mathématiques, à la biologie et à l'informatique. De la dynamique de la formation des cristaux et de l'analyse des systèmes mathématiques à la croissance des cellules, des populations et des fronts de flamme, et même au développement d'algorithmes d'apprentissage automatique, la classe d'universalité KPZ s'applique partout où les processus de croissance sont modélisés.
Après que le modèle a été confirmé expérimentalement pour les systèmes unidimensionnels basés sur les polaritons en 2022, une équipe de recherche de Würzburg a de nouveau testé ce cadre puissant en laboratoire, apportant la première preuve expérimentale au monde pour les systèmes bidimensionnels et les interfaces.
Une équipe de recherche de Würzburg réalise une percée dans le domaine des systèmes quantiques bidimensionnels
"Lorsque des surfaces se développent - qu'il s'agisse de cristaux, de bactéries ou de fronts de flamme - le processus est toujours non linéaire et aléatoire. En physique, nous décrivons ces systèmes comme étant hors d'équilibre", explique Siddhartha Dam, chercheur postdoctoral au sein du pôle d'excellence Würzburg-Dresden ctd.qmat de la chaire de physique technique de l'université de Würzburg. "La mise au point d'un système capable de mesurer simultanément l'évolution d'un processus hors équilibre dans l'espace et dans le temps est un véritable défi, d'autant plus que ces processus se déroulent sur des échelles de temps ultra-courtes. C'est pourquoi la vérification du modèle KPZ en deux dimensions a pris tant de temps. Nous avons maintenant réussi à contrôler un système quantique hors équilibre en laboratoire, ce qui n'est devenu techniquement possible que récemment.
Pour y parvenir, les chercheurs ont refroidi un échantillon de semi-conducteur à base d'arséniure de gallium (GaAs) à -269,15°C et l'ont continuellement excité à l'aide d'un laser. Grâce à une ingénierie des matériaux précise, des polaritons - particules hybrides composées de photons (lumière) et d'excitons (matière) - se sont formés dans une couche spécifique de la structure. Les polaritons n'existent que dans des conditions de non-équilibre : ils sont générés par l'excitation laser et se désintègrent en quelques picosecondes avant de quitter le système.
"Nous pouvons suivre avec précision l'emplacement des polaritons dans le matériau. Lorsque nous pompons le système avec de la lumière, les polaritons sont créés - ils se développent. Grâce à des techniques expérimentales avancées, nous avons pu quantifier l'évolution spatiale et temporelle de ce système quantique en croissance et avons constaté qu'il suivait le modèle KPZ", explique M. Dam.
L'idée clé - tester une théorie universelle de la croissance dans un système quantique en utilisant des polaritons, qui n'existent eux-mêmes qu'au sein d'un processus de croissance hautement dynamique - a été développée par Sebastian Diehl, professeur à l'Institut de physique théorique de l'université de Cologne et membre de l'équipe de recherche. Les fondements théoriques remontent à 2015. En 2022, un groupe de recherche parisien a fourni la première preuve expérimentale du comportement de KPZ, mais seulement dans un système unidimensionnel. "La démonstration expérimentale de l'universalité de KPZ dans des systèmes matériels bidimensionnels souligne à quel point cette équation est fondamentale pour les systèmes réels hors équilibre", explique M. Diehl, commentant la réussite de l'équipe de Würzburg.
La conception ciblée des matériaux permet l'injection de polaritons
Pour injecter des polaritons dans le matériau, les chercheurs ont mis au point une structure d'échantillon extrêmement complexe. Des couches de miroirs confinent les photons à l'intérieur d'une couche centrale de "film quantique" où ils peuvent se coupler aux excitons de l'arséniure de gallium pour former des polaritons, croître et être mesurés.
"En contrôlant précisément l'épaisseur de chaque couche de matériau à l'aide de l'épitaxie par jets moléculaires, nous avons pu régler leurs propriétés optiques et donc fabriquer les miroirs hautement réfléchissants nécessaires dans des conditions d'ultravide", explique Simon Widmann, chercheur doctorant à la chaire d'ingénierie physique, qui a mené les expériences en collaboration avec Siddhartha Dam. "Nous contrôlons la croissance du matériau atome par atome et nous pouvons régler avec précision tous les paramètres expérimentaux, par exemple le laser, qui doit exciter l'échantillon avec une précision de l'ordre du micromètre. Ce niveau de contrôle était essentiel pour démontrer avec succès l'universalité du KPZ".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Simon Widmann, Siddhartha Dam, Johannes Düreth, Christian G. Mayer, Romain Daviet, Carl Philipp Zelle, David Laibacher, Monika Emmerling, Martin Kamp, Sebastian Diehl, Simon Betzold, Sebastian Klembt, Sven Höfling; "Observation of Kardar-Parisi-Zhang universal scaling in two dimensions"; Science, Volume 392
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