Fizik dünyası, 1986 yılından bu yana yüzeylerin nasıl büyüdüğünü açıklayan Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) denkleminin doğruluğunu tartışıyordu. Kristal oluşumundan orman yangınlarının yayılmasına, bakteri popülasyonlarından makine öğrenimi algoritmalarına kadar birbirinden tamamen farklı sistemlerin aynı matematiksel kurallara göre büyüdüğü teorisi, bugüne kadar iki boyutta somut bir kanıta ihtiyaç duyuyordu. Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat araştırmacıları, karmaşık bir kuantum düzeneği kurarak bu evrensel kuralın iki boyutta da geçerli olduğunu nihayet ispatladı.
Işık ve maddenin dansı: Polariton parçacıkları
Deneyi gerçekleştirmek için araştırmacılar, Galyum Arsenür (GaAs) bazlı bir yarı iletkeni mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa (−269,15°C) kadar soğuttu. Lazerle uyarılan bu sistemde, ışık (foton) ve maddenin (eksiton) hibrit bir formu olan polariton adlı parçacıklar oluşturuldu. Sadece birkaç pikosaniye (saniyenin trilyonda biri) hayatta kalabilen bu parçacıklar, "denge dışı" (non-equilibrium) sistemlerin incelenmesi için mükemmel bir laboratuvar ortamı sundu. Bilim insanları, bu parçacıkların büyüme hızını ve mekansal dağılımını ölçerek KPZ evrenselliği modeline tam uyum sağladığını gözlemledi.
Atomik hassasiyetle gelen başarı
Bu devrim niteliğindeki keşfin arkasında, malzemenin atomik düzeyde kontrol edilebilmesi yatıyor. Moleküler ışın epitaksisi yöntemiyle malzemenin katmanları atom atom dizilerek ultra yüksek yansıtıcılığa sahip aynalar oluşturuldu. Bu aynalar arasına hapsedilen ışık, maddeyle etkileşime girerek büyümeyi ölçülebilir kıldı. Araştırmacılardan Siddhartha Dam, "Büyüme süreçleri doğrusal değildir ve rastgeledir; bu yüzden ölçülmeleri zordur. Biz, bu süreci uzay ve zaman içinde eş zamanlı olarak ölçebilen bir kuantum sistemi kontrol etmeyi başardık" dedi.
Bilim tarihinde bir milat
Daha önce 2022 yılında Paris'te yapılan deneyler, bu yasayı sadece tek boyutta kanıtlayabilmişti. Ancak gerçek hayattaki yüzeylerin çoğu iki boyutlu olduğu için, Würzburg ekibinin başarısı eksik olan halkayı tamamladı. Köln Üniversitesi'nden Profesör Sebastian Diehl'in 2015'te ortaya koyduğu teorik temel, bu deneyle pratik bir karşılık bulmuş oldu. Bu buluş, sadece temel fizikte değil, karmaşık biyolojik sistemlerin ve yeni nesil malzeme bilimi teknolojilerinin gelişiminde de kritik bir rol oynayacak.