Come crescono le superfici: un team di ricerca dimostra la crescita universale in 2D
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Cristalli, colonie batteriche, fronti di fiamma: la crescita delle superfici è stata descritta per la prima volta negli anni '80 dall'equazione di Kardar-Parisi-Zhang. Da allora è stata considerata un modello fondamentale della fisica, con implicazioni per la matematica, la biologia e l'informatica. Ora, a distanza di quarant'anni, un gruppo di ricerca di Würzburg del Cluster of Excellence ctd.qmat ha ottenuto la prima dimostrazione sperimentale del comportamento di KPZ su superfici 2D nello spazio e nel tempo. Ciò è stato possibile grazie a una sofisticata ingegneria dei materiali e a un audace approccio sperimentale: i ricercatori hanno iniettato nel materiale dei polaritoni, particelle ibride composte da luce e materia. I risultati sono stati pubblicati su Science.
Quarant'anni di universalità nella crescita
La questione di come le superfici crescono è uno dei problemi più fondamentali della fisica. Nel 1986, tre fisici hanno gettato le basi per una teoria universale della crescita con l'equazione di Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), un quadro di riferimento con ampie applicazioni in fisica, matematica, biologia e informatica. Dalla dinamica della formazione dei cristalli e dall'analisi dei sistemi matematici alla crescita delle cellule, delle popolazioni e dei fronti di fiamma, fino allo sviluppo di algoritmi di apprendimento automatico, la classe di universalità KPZ si applica ovunque si modellizzino i processi di crescita.
Dopo che il modello è stato confermato sperimentalmente per la prima volta nel 2022 per i sistemi unidimensionali basati sui polaritoni, un team di ricerca di Würzburg ha ora testato nuovamente questa potente struttura in laboratorio, fornendo la prima prova sperimentale al mondo per i sistemi bidimensionali e le interfacce.
Un team di ricerca di Würzburg ottiene una svolta in un sistema quantistico 2D
"Quando le superfici crescono - che si tratti di cristalli, batteri o fronti di fiamma - il processo è sempre non lineare e casuale. In fisica, descriviamo questi sistemi come fuori equilibrio", spiega Siddhartha Dam, ricercatore post-dottorato nel Cluster di Eccellenza Würzburg-Dresden ctd.qmat presso la cattedra di Fisica Tecnica dell'Università di Würzburg. "Progettare un sistema in grado di misurare simultaneamente l'evoluzione di un processo di non-equilibrio nello spazio e nel tempo è estremamente impegnativo, soprattutto perché questi processi si svolgono su tempi ultracorti. Ecco perché la verifica del modello KPZ in due dimensioni ha richiesto tanto tempo. Ora siamo riusciti a controllare un sistema quantistico non in equilibrio in laboratorio, cosa che è diventata tecnicamente fattibile solo di recente".
Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno raffreddato un campione di semiconduttore basato sull'arseniuro di gallio (GaAs) a -269,15°C e lo hanno eccitato continuamente con un laser. Grazie a una precisa ingegneria dei materiali, i polaritoni - particelle ibride composte da fotoni (luce) ed eccitoni (materia) - si sono formati all'interno di uno strato specifico della struttura. I polaritoni esistono solo in condizioni di non equilibrio: sono generati dall'eccitazione laser e decadono in pochi picosecondi prima di lasciare il sistema.
"Possiamo tracciare con precisione la posizione dei polaritoni nel materiale. Quando pompiamo il sistema con la luce, i polaritoni vengono creati - crescono. Utilizzando tecniche sperimentali avanzate, siamo riusciti a quantificare l'evoluzione spaziale e temporale di questo sistema quantistico in crescita e abbiamo scoperto che segue il modello KPZ", spiega Dam.
L'idea chiave - testare una teoria universale della crescita in un sistema quantistico utilizzando i polaritoni, che esistono solo all'interno di un processo di crescita altamente dinamico - è stata sviluppata da Sebastian Diehl, professore presso l'Istituto di fisica teorica dell'Università di Colonia e membro del team di ricerca. Le basi teoriche risalgono al 2015. Nel 2022, un gruppo di ricerca di Parigi ha fornito la prima prova sperimentale del comportamento di KPZ, ma solo in un sistema monodimensionale. "La dimostrazione sperimentale dell'universalità di KPZ in sistemi materiali bidimensionali evidenzia quanto questa equazione sia fondamentale per i sistemi reali di non-equilibrio", afferma Diehl, commentando il risultato ottenuto dal team di Würzburg.
La progettazione mirata dei materiali consente l'iniezione di polaritoni
Per iniettare i polaritoni nel materiale, i ricercatori hanno progettato una struttura del campione molto complessa. Gli strati di specchi confinano i fotoni all'interno di uno strato centrale di "pellicola quantistica", dove possono accoppiarsi con gli eccitoni nell'arseniuro di gallio per formare polaritoni, crescere ed essere misurati.
"Controllando con precisione lo spessore dei singoli strati di materiale utilizzando l'epitassia a fascio molecolare, siamo stati in grado di sintonizzare le loro proprietà ottiche e quindi di fabbricare gli specchi altamente riflettenti necessari in condizioni di vuoto spinto", spiega Simon Widmann, ricercatore di dottorato presso la cattedra di Fisica ingegneristica, che ha condotto gli esperimenti insieme a Siddhartha Dam. "Controlliamo come il materiale cresce atomo per atomo e possiamo regolare con precisione tutti i parametri sperimentali, ad esempio il laser, che deve eccitare il campione con una precisione micrometrica. Questo livello di controllo è stato essenziale per dimostrare con successo l'universalità del KPZ".
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Pubblicazione 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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