Como as superfícies crescem: equipa de investigação demonstra crescimento 2D universal
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Cristais, colónias de bactérias, frentes de chamas: o crescimento de superfícies foi descrito pela primeira vez na década de 1980 pela equação de Kardar-Parisi-Zhang. Desde então, tem sido considerada como um modelo fundamental da física, com implicações para a matemática, a biologia e a informática. Agora - quarenta anos depois - uma equipa de investigação de Würzburg do Cluster of Excellence ctd.qmat conseguiu a primeira demonstração experimental do comportamento KPZ em superfícies 2D no espaço e no tempo. Isto foi possível graças a uma sofisticada engenharia de materiais e a uma abordagem experimental arrojada: os investigadores injectaram polaritões - partículas híbridas compostas por luz e matéria - no material. Os resultados foram publicados na revista Science.
Quarenta anos de universalidade no crescimento
A questão de como as superfícies crescem é um dos problemas mais fundamentais da física. Em 1986, três físicos lançaram as bases para uma teoria universal do crescimento com a equação de Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) - uma estrutura com amplas aplicações na física, matemática, biologia e ciências da computação. Desde a dinâmica da formação de cristais e da análise de sistemas matemáticos até ao crescimento de células, populações e frentes de chama - e até ao desenvolvimento de algoritmos de aprendizagem automática - a classe de universalidade KPZ aplica-se sempre que os processos de crescimento são modelados.
Depois de o modelo ter sido confirmado experimentalmente pela primeira vez para sistemas unidimensionais baseados em polaritões em 2022, uma equipa de investigação de Würzburg voltou a testar esta poderosa estrutura no laboratório, apresentando a primeira prova experimental do mundo para sistemas e interfaces bidimensionais.
Equipa de investigação de Würzburg consegue um avanço no sistema quântico 2D
"Quando as superfícies crescem - sejam cristais, bactérias ou frentes de chamas - o processo é sempre não linear e aleatório. Em física, descrevemos esses sistemas como estando fora de equilíbrio", explica Siddhartha Dam, investigador de pós-doutoramento no Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ctd.qmat da Cátedra de Física Técnica da Universidade de Würzburg. "A engenharia de um sistema capaz de medir simultaneamente a forma como um processo de não-equilíbrio evolui no espaço e no tempo é extremamente desafiante - especialmente porque estes processos se desenrolam em escalas de tempo ultra-curtas. É por isso que a verificação do modelo KPZ em duas dimensões demorou tanto tempo. Conseguimos agora controlar um sistema quântico sem equilíbrio no laboratório - algo que só recentemente se tornou tecnicamente viável".
Para o conseguir, os investigadores arrefeceram uma amostra de semicondutor à base de arsenieto de gálio (GaAs) a -269,15°C e excitaram-na continuamente com um laser. Através de uma engenharia de materiais precisa, os polaritões - partículas híbridas constituídas por fotões (luz) e excitões (matéria) - formaram-se numa camada específica da estrutura. Os polaritões só existem em condições de não-equilíbrio: são gerados pela excitação do laser e decaem em apenas alguns picossegundos antes de abandonarem o sistema.
"Podemos determinar com precisão onde se encontram os polaritões no material. Quando bombeamos o sistema com luz, os polaritões são criados - eles crescem. Utilizando técnicas experimentais avançadas, conseguimos quantificar a evolução espacial e temporal deste sistema quântico em crescimento e descobrimos que segue o modelo KPZ", explica Dam.
A ideia-chave - testar uma teoria universal de crescimento num sistema quântico utilizando polaritões, que só existem num processo de crescimento altamente dinâmico - foi desenvolvida por Sebastian Diehl, professor do Instituto de Física Teórica da Universidade de Colónia e membro da equipa de investigação. A base teórica remonta a 2015. Em 2022, um grupo de investigação em Paris forneceu a primeira prova experimental do comportamento do KPZ - mas apenas num sistema unidimensional. "A demonstração experimental da universalidade da KPZ em sistemas de materiais bidimensionais realça o quão fundamental esta equação é para sistemas reais de não-equilíbrio", diz Diehl, comentando a realização da equipa de Würzburg.
A conceção de materiais específicos permite a injeção de polaritões
Para injetar polaritões no material, os investigadores conceberam uma estrutura de amostra altamente complexa. As camadas de espelho confinam os fotões numa camada central de "película quântica", onde podem acoplar com excitões no arsenieto de gálio para formar polaritões, crescer e ser medidos.
"Ao controlar com precisão a espessura de cada camada de material utilizando epitaxia de feixe molecular, conseguimos ajustar as suas propriedades ópticas e, assim, fabricar os espelhos altamente reflectores necessários em condições de vácuo ultra-elevado", explica Simon Widmann, investigador de doutoramento da Cátedra de Engenharia Física, que realizou as experiências juntamente com Siddhartha Dam. "Controlamos a forma como o material cresce átomo a átomo e podemos afinar todos os parâmetros experimentais - por exemplo, o laser, que deve excitar a amostra com uma precisão micrométrica. Este nível de controlo foi essencial para demonstrar com sucesso a universalidade do KPZ".
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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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