Science解答40年難題：細(xì)菌、野火、晶體生長(zhǎng)居然遵循同一套物理規(guī)律？

非平衡隨機(jī)行為，例如細(xì)菌群落的生長(zhǎng)和野火前沿的蔓延，由于復(fù)雜系統(tǒng)中眾多實(shí)體相互作用的固有不確定性而難以預(yù)測(cè)。

1986年Kardar，Parisi和Zhang（張翼成教授）引入的隨機(jī)偏微分方程Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) 模擬了二維晶體表面上界面的隨機(jī)生長(zhǎng)，描述了界面粗糙度如何隨時(shí)間和空間尺度變化。該理論被認(rèn)為為描述不同維度下各種非平衡系統(tǒng)的漲落動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)普適框架。然而，該理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證很少，且通常在一維系統(tǒng)中進(jìn)行。

在此，德國(guó)維爾茨堡大學(xué)Sven H?fling教授和Siddhartha Dam教授等人報(bào)道了在二維激子-極化激元凝聚體中觀測(cè)到KPZ普適標(biāo)度行為，這是一種本質(zhì)上破壞平衡條件的光量子流體。通過(guò)使用光譜學(xué)和邁克爾遜干涉法，探測(cè)了微觀不同系統(tǒng)中的相位關(guān)聯(lián)。同時(shí)，本文的分析揭示了其關(guān)聯(lián)動(dòng)力學(xué)和標(biāo)度指數(shù)，與二維KPZ理論的預(yù)測(cè)高度吻合，這些結(jié)果確立了激子-極化激元凝聚體作為探索二維非平衡普適性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

相關(guān)文章以“Observation of Kardar-Parisi-Zhang universal scaling in two dimensions”為題發(fā)表在Science上！

研究背景

當(dāng)質(zhì)子、中子和電子總數(shù)為偶數(shù)的原子（玻色子原子）被冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，它們會(huì)合并成一個(gè)高度有序的狀態(tài)，表現(xiàn)出波動(dòng)行為——即玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體。這些凝聚體通過(guò)將微觀量子現(xiàn)象放大到宏觀層面可觀測(cè)的信號(hào)，為研究偏離經(jīng)典系統(tǒng)的量子力學(xué)行為提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

它們也表現(xiàn)出量子漲落，表現(xiàn)為其宏觀性質(zhì)（如相位和波長(zhǎng)）的隨機(jī)變化。這為實(shí)驗(yàn)?zāi)MKPZ理論提供了一個(gè)合適的環(huán)境。然而，玻色子原子的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體僅在極低溫度下存在，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性。

激子-極化激元是在半導(dǎo)體微柱陣列中產(chǎn)生的兼具光和物質(zhì)性質(zhì)的部分準(zhǔn)粒子，它們具有與玻色子原子相似的特性，并且可以發(fā)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，它們可以在室溫下工作，并且具有高度可擴(kuò)展性。KPZ理論已在一維激子-極化激元凝聚體鏈中得到驗(yàn)證。然而，在二維激子-極化激元體系中證實(shí)該理論的證據(jù)一直難以獲得。

激子-極化激元凝聚體的周期性陣列可以被視為一種共振二維光子晶體，其發(fā)出的光具有空間擴(kuò)展的周期性相位圖案。極化激元的相位和密度波動(dòng)可能會(huì)擾動(dòng)并改變這些相位圖案，數(shù)百個(gè)激子-極化激元凝聚體的相位和頻率變得相干，以優(yōu)化極化激元的增益損耗比，但仍然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)射光的相位圖案對(duì)稱性與微柱陣列的晶格對(duì)稱性發(fā)生偏離。這給二維系統(tǒng)引入了非線性無(wú)序，非常適合用于檢驗(yàn)KPZ理論。

研究?jī)?nèi)容

本文展示了在半導(dǎo)體微柱陣列中出現(xiàn)的二維激子-極化激元凝聚體陣列中的KPZ標(biāo)度行為。在光照射下，每個(gè)微柱間微腔中的受限光子與每個(gè)柱中也產(chǎn)生的激子（正負(fù)電荷準(zhǔn)電中性對(duì)）發(fā)生強(qiáng)耦合。激子和光子的相位與頻率的自發(fā)同步形成了激子-極化激元凝聚體的相干流，這些相干流可以通過(guò)光譜在實(shí)驗(yàn)上可視化。

本文測(cè)量了兩種不同晶格構(gòu)型（三角形和正方形）中激子-極化激元凝聚體隨激光功率變化的相位關(guān)聯(lián)函數(shù)。在兩種情況下，在略高于激子-極化激元玻色-愛(ài)因斯坦凝聚閾值的窄激光功率范圍內(nèi)，關(guān)聯(lián)函數(shù)均符合KPZ標(biāo)度。在此條件下，多種相位圖案都能滿足極化激元的增益與損耗平衡，這意味著系統(tǒng)真正是不可預(yù)測(cè)的。這一觀察結(jié)果可被視為KPZ普適性在二維平臺(tái)中的體現(xiàn)。

同時(shí)，還展示了激子-極化激元凝聚體的行為與Berezinskii-Kosterlitz-Thouless理論所描述的平衡標(biāo)度律存在顯著偏差。KPZ標(biāo)度似乎比平衡模型更具主導(dǎo)性，這意味著激子-極化激元凝聚體的非平衡動(dòng)力學(xué)可能由Nambu-Goldstone模支配，這些是被量子漲落占據(jù)的激發(fā)能態(tài)，表現(xiàn)出與基態(tài)不同的相位圖案。

這在接近玻色-愛(ài)因斯坦凝聚閾值的低泵浦功率下被觀察到。在高泵浦功率下，對(duì)應(yīng)于最低能態(tài)的相位圖案在激子-極化激元中占據(jù)主導(dǎo)地位，并壓倒其他稀少的相位圖案。在這種情況下，預(yù)計(jì)在高于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚閾值的激光功率下，系統(tǒng)將回歸平衡標(biāo)度行為。

此外，本文研究意味著，性質(zhì)迥異的材料和光學(xué)系統(tǒng)可以用相同的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。例如，森林火災(zāi)線的蔓延、細(xì)菌菌落的生長(zhǎng)以及液晶的湍流可能表現(xiàn)出相同的標(biāo)度動(dòng)力學(xué)。從哲學(xué)角度來(lái)看，這可以被視為自然界中盡管組分多樣但和諧性仍持續(xù)存在的一種體現(xiàn)。除了驗(yàn)證二維KPZ標(biāo)度外，在更高維系統(tǒng)中證實(shí)KPZ理論可以進(jìn)一步確認(rèn)其顯著的普適性。從理論上講，三維物理系統(tǒng)的非平衡動(dòng)力學(xué)也屬于該標(biāo)度規(guī)則是合理的，由共振光子晶體構(gòu)成的三維激子-極化激元凝聚體陣列可以將觀測(cè)擴(kuò)展到更高維度。

圖1：極化激元方形晶格特性。

圖2：一階關(guān)聯(lián)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)獲取。

圖3：二維KPZ普適度。

結(jié)論展望

綜上所述，本文證明了在非平衡、驅(qū)動(dòng)-耗散型極化激元凝聚體中，二維KPZ普適度行為會(huì)自然涌現(xiàn)。通過(guò)探測(cè)兩種微觀結(jié)構(gòu)迥異的二維極化激元晶格的相干特性，獲取了其空間和時(shí)間關(guān)聯(lián)信息，這種全面的實(shí)驗(yàn)控制使能夠直接從測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建出普適的KPZ標(biāo)度函數(shù)。

在略高于凝聚體閾值功率時(shí)，標(biāo)度坍縮與理論預(yù)測(cè)在定量上高度吻合。觀察到，在更高的激發(fā)功率下，關(guān)聯(lián)函數(shù)會(huì)偏離二維KPZ標(biāo)度行為，轉(zhuǎn)而讓位于其他可能的標(biāo)度區(qū)間。盡管主要研究聚焦于KPZ物理支配長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)的區(qū)域，但進(jìn)一步深入凝聚相內(nèi)部或在更高噪聲水平下進(jìn)行探索，將有助于解析渦旋缺陷的動(dòng)力學(xué)。

文獻(xiàn)信息

Simon Widmann, Siddhartha Dam, Johannes Düreth, Christian G. Mayer, Romain Daviet, Carl Philipp Zelle, David Laibacher, Monika Emmerling, Martin Kamp, Sebastian Diehl, Simon Betzold, Sebastian Klembt, and Sven H?fling*,Observation of Kardar-Parisi-Zhang universal scaling in two dimensions,Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb4154

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