Wissenschaft auf der Überholspur: Ein Team des Exzellenzclusters ctd.qmat an der Technischen Universität Dresden hat einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der Oberflächenforschung erzielt. Sie haben den ersten experimentellen Nachweis für universelles 2D-Wachstum erbracht, das durch die Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung (KPZ) beschrieben wird, die in den 1980er Jahren formuliert wurde. Dieses Modell gilt als grundlegender Bestandteil in diversen Fachrichtungen wie Physik, Mathematik, Biologie und Informatik. Der entsprechende Artikel der Forscher wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Wie funktioniert das Prinzip? Die kpZ-Gleichung stellt ein Höhenfeld der Oberfläche dar, das von drei zentralen Termen geprägt ist: einem Glättungsterm, einem Wachstumsterm sowie einem stochastischen Rauschen. Diese Gleichung ermöglicht es, Wachstumsprozesse besser zu verstehen, sei es bei der Kristallisation, beim Zellwachstum oder sogar bei maschinellem Lernen. Die Forschergruppe hat nun den Weg geebnet, um diese Konzepte experimentell zu erproben und zu validieren.
Experimentelle Entdeckung
Der Durchbruch wurde durch die Kombination aus ausgeklügeltem Materialdesign und der Einschleusung von Polaritonen erzielt – einer faszinierenden Mischung aus Licht- und Materieteilchen. Hierfür verwendeten die Wissenschaftler eine Halbleiterprobe aus Galliumarsenid (GaAs), welche auf -269,15 Grad Celsius gekühlt und mit einem Laser bestrahlt wurde. Diese präzise Technik ermöglichte es, die Orts- und Zeitabhängigkeit des wachsenden Quantensystems zu quantifizieren.
Das Team, das von Sebastian Diehl, Professor an der Universität zu Köln, angeführt wurde, konnte die experimentellen Ergebnisse klar mit den Vorhersagen des KPZ-Modells in Einklang bringen. Zudem hatte ein Würzburger Team bereits 2022 einen experimentellen Nachweis für eindimensionale Polariton-Systeme erbracht, wodurch die Grundlagen für die neuesten Erkenntnisse gelegt wurden.
Blick in die Zukunft
Das Exzellenzcluster ctd.qmat, das die Forschung in diesem Bereich maßgeblich vorantreibt, setzt sich aus etwa 300 Wissenschaftler:innen aus über 30 Ländern zusammen. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit eröffnet neue Horizonte in der Erforschung neuartiger Quantenmaterialien. Mit diesen aktuellen Fortschritten wird das Verständnis von Wachstumsprozessen nicht nur in der Theorie, sondern auch praktisch revolutioniert – und das alles dank der verbesserten Einsicht, die uns die KPZ-Gleichung bietet.