«Апостериори»: Флуктуации в квантовых системах могут подчиняться универсальному закону роста поверхностей

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики показали, что поведение двумерной квантовой системы может описываться теми же законами, что и процессы накопления и распространения случайных неоднородностей – например, при осаждении частиц или распространении фронта пожара.

Речь идёт об уравнении Кардара–Паризи–Чжана. Оно было предложено в 1986 году и описывает, как со временем изменяется форма растущей поверхности. В этой модели учитываются три фактора: сглаживание неровностей, случайные флуктуации и нелинейный рост – когда уже возникшие отклонения начинают усиливаться. Со временем стало ясно, что это уравнение носит универсальный характер. Оно применимо не только к классическим процессам, но и к системам совершенно другой природы – в том числе квантовым.

В новой работе, опубликованной в журнале Science, исследователи изучили такую систему на основе поляритонов – квазичастиц, возникающих при взаимодействии света и вещества в полупроводниках. В определённых условиях они образуют когерентное квантовое состояние, в котором множество частиц ведут себя согласованно, как единое целое. В отличие от равновесных квантовых конденсатов, здесь система постоянно обменивается энергией с окружающей средой: энергия в неё поступает извне и одновременно рассеивается.

Учёные сформировали поляритонный конденсат в двумерной решётке микрорезонаторов. Это значит, что частицы могли свободно двигаться только в плоскости структуры. Затем авторы работы измерили, как связаны между собой флуктуации в разных точках пространства и в разные моменты времени. Для этого использовался интерферометр, позволяющий восстанавливать корреляционные функции системы. Оказалось, что в определённом диапазоне параметров динамика этих флуктуаций подчиняется тому же уравнению Кардара–Паризи–Чжана. Иначе говоря, флуктуации квантовой системы ведут себя так, как если бы речь шла о росте случайной поверхности.

Важно отметить, что именно двумерный случай представляет особый интерес. В одном пространственном измерении такие эффекты уже наблюдались экспериментально, а в трёх – поведение системы оказывается иным. Два измерения – это пограничный случай, в котором флуктуации особенно сильно влияют на систему, и поэтому проверить теоретические предсказания здесь значительно сложнее.

Таким образом, эксперимент показывает, что одно и то же уравнение может описывать как классические процессы роста поверхностей, так и динамику квантовых систем. Авторы работы отмечают, что подобные универсальные законы могут проявляться и в других неравновесных квантовых средах. Это открывает возможность изучать сложные квантовые явления с помощью сравнительно простых моделей.