Российские физики подтвердили универсальность закона Кардара–Паризи–Чжана в квантовой системе при комнатной температуре

Российские теоретические физики Алексей Кавокин и Стелла Кавокина из Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ проанализировали результаты нашумевшего эксперимента, проведенного исследовательской группой Видмана. Впервые в истории удалось экспериментально подтвердить действие универсального статистического закона Кардара–Паризи–Чжана (KPZ) в двумерной системе экситон-поляритонных конденсатов при комнатной температуре.

KPZ-уравнение, предсказанное еще в 1986 году Мехраном Кардаром, Джорджо Паризи и Чжаном И-Чэ, описывает динамику роста случайных границ разделения сред. Оно объединяет под единой математической моделью такие разнородные явления, как осаждение атомов на поверхности кристалла, распространение лесных пожаров, рост бактериальных колоний и турбулентность в жидких кристаллах. Долгое время экспериментальная верификация теории в двух измерениях оставалась недостижимой из-за искажений в классических системах и отсутствия подходящих квантовых платформ.

Ключевую роль сыграли экситон-поляритоны — уникальные квазичастицы гибридной природы, возникающие при сильной связи света с материей в полупроводниковых микрорезонаторах. В отличие от ультрахолодных атомных конденсатов, требующих температур в милликельвинах, поляритонные конденсаты стабильно существуют при комнатной температуре. Группа Видмана создала двумерную решетку из сотен микрокапилляров и лазерной накачкой достигла спонтанной синхронизации фаз и частот поляритонов.

В системах с непрерывными потерями частиц и постоянной подпиткой неизбежно возникают флуктуации фазы и плотности. Для их анализа Кавокины использовали фазовую корреляционную функцию, измеренную методами интерферометрии с временным разрешением (интерферометр Майкельсона) и импульсной фотолюминесцентной спектроскопии. При мощности накачки всего на 6% выше порога образования конденсата (экситонная доля ~7,5%) корреляционная функция подчиняется KPZ-закону с превосходной точностью как для треугольной, так и для квадратной геометрии решетки.

Исследователи провели наиболее строгий тест: сравнили не отдельные показатели, а полную форму масштабной функции. Совпадение теории и эксперимента открывает путь к созданию масштабируемых симуляторов неравновесной динамики, работающих без сложных криогенических установок. Работа опубликована в журнале Science.