Die Forschung zur Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung (KPZ), einem zentralen Modell für das Verständnis von Oberflächenwachstum, hat kürzlich einen bedeutenden Fortschritt erzielt. EinTeam des Exzellenzclusters ctd.qmat hat den ersten experimentellen Nachweis für 2D-Oberflächen in Raum und Zeit erbracht. Diese aufregenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht, was einen wichtigen Meilenstein in der Grundlagenforschung darstellt.
Die KPZ-Gleichung, die in den 1980er Jahren formuliert wurde, gilt als fundamentales Modell in Physik, Mathematik, Biologie und Informatik. Sie beschreibt verschiedene Wachstumsprozesse, darunter Kristallisation, Zellwachstum und maschinelles Lernen. Das Team um Professor Sebastian Diehl von der Universität zu Köln hat durch Materialdesign und die Einschleusung von Polaritonen, einer Mischung aus Licht- und Materieteilchen, diesen wichtigen Nachweis erbracht.
Experimentelle Methodik
Um die KPZ-Universalität zu testen, entwickelte das Würzburger Team ein Quantensystem im Nicht-Gleichgewicht. Dabei kam eine Halbleiterprobe aus Galliumarsenid (GaAs) zum Einsatz, die auf -269,15 Grad Celsius gekühlt wurde. Durch Laserbestrahlung entstehen Polaritonen, die jedoch nur in wenigen Picosekunden existieren, bevor sie zerfallen.
Die Experten quantifizierten die Orts- und Zeitabhängigkeit des wachsenden Quantensystems und verglichen diese mit dem KPZ-Modell. Der experimentelle Nachweis für eindimensionale Polariton-Systeme wurde bereits 2022 erbracht, was nun in der experimentellen Arbeit für 2D-Systeme eine Weiterentwicklung darstellt.
Wissenschaftlicher Kontext
Die Bedeutung der KPZ-Gleichung reicht über die Anwendung in Festkörperphysik hinaus. Die universellen Verhaltensweisen, die sie beschreibt, wurden auch in anderen wissenschaftlichen Kontexten untersucht. In einem Artikel, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature im August 2022, wurden Phänomene wie das stochastische Wachstum von kristallinen Oberflächen und Spintransport in quantenmechanischen Magneten analysiert.
Die universelle Dynamik, die durch die KPZ-Gleichung beschrieben wird, zeigt grundlegende physikalische Unterschiede zwischen nicht im Gleichgewicht befindlichen Kondensaten und deren Gleichgewichtskontrahenten. Diese Erkenntnisse eröffnen ein neues Paradigma zur Erforschung universeller Verhaltensweisen in angetriebenen offenen Quantensystemen.
Das Exzellenzcluster ctd.qmat, das durch rund 300 Wissenschaftler:innen aus über 30 Ländern unterstützt wird, spielt eine Schlüsselrolle bei der Erforschung neuartiger Quantenmaterialien. Der experimentelle Nachweis und dessen umfassende Analyse markieren den Beginn einer vielversprechenden Ära in der Forschung zum Oberflächenwachstum.