Vědci konečně vyřešili 40 let starou fyzikální hádanku o růstu

Foto: think-design, Jochen Thamm

Univerzální zákon růstu potvrzen

Vědci z Univerzity ve Würzburgu dosáhli významného průlomu, když experimentálně potvrdili univerzální zákon růstu ve dvou rozměrech pomocí kvantového systému prchavých částic světla a hmoty. Tento objev posiluje myšlenku, že velmi odlišné procesy – od krystalů po živé systémy – mohou všechny následovat stejné skryté zákony.

Autor původního článku: redakce

Experimentální důkaz KPZ univerzality

V roce 1986 byla představena rovnice Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), teorie navržená k popisu růstu napříč širokým spektrem systémů. Postupem času byl tento rámec aplikován na vše od tvorby krystalů a dynamiky populace až po čelní plameny a dokonce i strojové učení. Myšlenka je jednoduchá, ale mocná: velmi odlišné systémy mohou při růstu sledovat stejné základní zákony. Nyní vědci z Univerzity ve Würzburgu udělali významný krok vpřed. Po dřívějším potvrzení v jednorozměrných systémech v roce 2022 tým dosáhl prvního experimentálního důkazu, že KPZ teorie platí i ve dvou rozměrech. To představuje významný milník v ukázání, jak univerzální tento model skutečně je.

Proč je růst tak obtížné předpovědět

„Když povrchy rostou – ať už krystaly, bakterie nebo čelní plameny – proces je vždy nelineární a náhodný. Ve fyzice takové systémy popisujeme jako systémy mimo rovnováhu,“ vysvětluje Siddhartha Dam, postdoktorandský výzkumník v Clusteru excelence ctd.qmat na Univerzitě ve Würzburgu. „Navrhnout systém schopný současně měřit, jak se proces mimo rovnováhu vyvíjí v prostoru a čase, je extrémně náročné – zejména proto, že tyto procesy se odehrávají na ultrakrátkých časových škálách. Proto trvalo tak dlouho ověřit KPZ model ve dvou rozměrech. Nyní jsme uspěli v kontrole kvantového systému mimo rovnováhu v laboratoři – něco, co se teprve nedávno stalo technicky proveditelným.“

Budování ultrachladného kvantového experimentu

Aby vědci otestovali teorii, navrhli vysoce kontrolované kvantové uspořádání. Ochladili polovodič vyrobený z arsenidu gallia (GaAs) na −269,15 °C a neustále ho stimulovali laserem. Za těchto podmínek se uvnitř materiálu tvořily neobvyklé částice zvané polaritony. Polaritony jsou hybridy světla a hmoty, kombinující fotony s excitony. Existují pouze krátce a pouze za podmínek mimo rovnováhu. Vytvořené laserem opět mizí během několika pikosekund, což je činí ideálními pro studium rychlých růstových procesů.

„Můžeme přesně sledovat, kde se polaritony v materiálu nacházejí. Když systém pumpujeme světlem, polaritony se tvoří – rostou. Pomocí pokročilých experimentálních technik jsme byli schopni kvantifikovat jak prostorový, tak časový vývoj tohoto rostoucího kvantového systému a zjistili jsme, že sleduje KPZ model,“ vysvětluje Dam.

Od teorie k experimentálnímu důkazu

Koncept testování chování KPZ v takovém systému byl poprvé navržen Sebastianem Diehlem, profesorem na Institutu teoretické fyziky na Univerzitě v Kolíně nad Rýnem a členem výzkumného týmu. Jeho skupina vyvinula teoretický základ v roce 2015. V roce 2022 vědci v Paříži dokázali experimentálně potvrdit předpovědi KPZ, ale pouze v jednorozměrném systému. Rozšíření tohoto na dva rozměry se ukázalo být mnohem obtížnější. Nové výsledky nyní poskytují chybějící část.

„Experimentální demonstrace KPZ univerzality v dvourozměrných materiálových systémech zdůrazňuje, jak základní je tato rovnice pro skutečné systémy mimo rovnováhu,“ říká Diehl, komentující úspěch týmu z Würzburgu.

Pohled redakce Retel

Podle redakce Retel.cz tento objev otevírá nové možnosti pro aplikace v oblasti nanotechnologií a materiálového inženýrství. Schopnost přesně kontrolovat růstové procesy na atomární úrovni může vést k vývoji nových materiálů s unikátními vlastnostmi. V kontextu evropského průmyslu by takové technologie mohly podpořit inovace v oblastech, jako je elektronika, biotechnologie nebo energetika. Z pohledu českých vědců a inženýrů je důležité sledovat, jak se tyto teoretické poznatky přetaví do praktických aplikací, které mohou posílit konkurenceschopnost českého průmyslu na globálním trhu.

Přesné inženýrství materiálů

Klíčovou součástí průlomu byla schopnost pečlivě navrhnout samotný materiál. Tým vytvořil komplexní strukturu, ve které zrcadlové vrstvy zachycují fotony uvnitř centrálního „kvantového filmu“. V této vrstvě fotony interagují s excitony v arsenidu gallia, tvořící polaritony, které mohou být pozorovány při jejich vývoji.

„Přesným řízením tloušťky jednotlivých materiálových vrstev pomocí molekulární svazkové epitaxe jsme byli schopni ladit jejich optické vlastnosti a tím vyrábět potřebná vysoce reflexní zrcadla za podmínek ultra vysokého vakua,“ vysvětluje Simon Widmann, doktorandský výzkumník na Katedře technické fyziky, který prováděl experimenty spolu se Siddharthou Damem. „Kontrolujeme, jak materiál roste atom po atomu a můžeme jemně ladit všechny experimentální parametry – například laser, který musí vzorek excitovat s mikrometrovou přesností. Tato úroveň kontroly byla zásadní pro úspěšné prokázání KPZ univerzality.“

Mohlo by vás zajímat

• Vědci simulovali jadernou ohnivou kouli a objevili překvapení v radioaktivním spadu
• Teleskop Fermi od NASA odhaluje zdroj energie za monstrózními supernovami
• Vědci objevili, že prastaré jednobuněčné předky stále žijí ve vaší krvi

Původní článek: Scientists finally solve 40-year-old physics puzzle about how things grow

Nejčastější dotazy

Co je univerzální zákon růstu?

Univerzální zákon růstu je teoretický rámec, který popisuje, jak různé systémy, jako jsou krystaly nebo živé organismy, mohou následovat stejné základní zákony při svém růstu. Tento koncept byl potvrzen vědci z Univerzity ve Würzburgu, kteří experimentálně prokázali jeho platnost.

Jaký je význam objevu vědců z Univerzity ve Würzburgu?

Objev vědců z Univerzity ve Würzburgu posiluje myšlenku, že různé procesy v přírodě mohou sdílet společné principy. To může mít dalekosáhlé důsledky pro naše chápání růstu v mnoha oblastech, od fyziky po biologii.

Co je rovnice Kardar-Parisi-Zhang (KPZ)?

Rovnice Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) byla představena v roce 1986 a slouží k popisu růstu v různých systémech. Tato teorie se ukázala jako užitečná v mnoha oblastech, včetně tvorby krystalů a dynamiky populace.

Zdroj: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260505234622.htm