Известно, что ученые обладают возможностью достаточно точно предсказывать увеличение площадей. Однако экспериментально доказать полное соответствие реальных процессов и созданной модели — задача значительно сложнее, хотя и имеющая решение.
В 1986 году ученые сформулировали универсальную теорию, описывающую процессы, протекающие на границе двух сред, и назвали ее уравнением Кардара — Паризи — Чжана (КПЖ). Эта модель, созданная ими, нашла применение в физике, математике, биологии и компьютерных науках для предсказания развития бактериальных колоний, распространения пламени и формирования кристаллов. Благодаря своей универсальности уравнение КПЖ может быть использовано для описания любого роста, включая разработку алгоритмов машинного обучения.
Универсальность обусловлена применением сложного математического аппарата. Однако именно с его помощью ученые способны прогнозировать поведение систем, находящихся в неравновесном состоянии — реальных, где процессы развиваются нелинейно и нередко носят хаотический характер. В 2022 году модель, основанная на КПЖ, получила экспериментальное подтверждение для одномерных систем, использующих квазичастицы поляритонов.
Международные ученые получили экспериментальное подтверждение соответствия поведения двумерных систем в пространстве и времени модели Кронштейна-Пенроуза-Джонсона. Результаты исследования опубликована в журнале Science.
Ранее достичь этого было невозможно ввиду ограниченности технических возможностей — нельзя было управлять неравновесной квантовой системой с нужной точностью, либо не получалось считывать результаты в том же временном разрешении, в котором разворачивались физические процессы.
Для проведения данного исследования ученые разработали многослойную конструкцию, состоящую из арсенида галлия ( GaAs). Образец охладили до температуры минус 269,15 градуса Цельсия и непрерывно облучали лазером. Зеркальные слои, расположенные внутри структуры, удерживали фотоны в центральном «квантовом пленочном» слое. В этих условиях частицы смогли взаимодействовать с экситонами в полупроводнике и образовать поляритоны. За поведением последних и наблюдали физики.
«Нам удалось с высокой точностью определить местоположение поляритонов в исследуемом материале. При облучении системы светом поляритоны возникают и увеличиваются в количестве. Благодаря применению современных экспериментальных подходов, нам удалось определить количественные характеристики как пространственного, так и временного развития этой квантовой системы, и мы установили, что она соответствует модели КПЖ», — рассказал один из авторов исследования Сиддхартха Дам ( Siddhartha Dam).
Степень контроля, позволившая физикам с уверенностью говорить об этом результате, очень важна. Экспериментальный образец растили с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Этот метод требует сверхвысокого вакуума и исключительной чистоты материалов, но позволяет контролировать толщину слоев практически с точностью до атома. Область, в которую направляли лазер, контролировали с точностью до микрометра.