Ein 40 Jahre altes Physikrätsel über das Wachstum von Dingen ist endlich geknackt worden. Wissenschaftler in Deutschland haben erstmals experimentell ein universelles Wachstumsgesetz in zwei Dimensionen bestätigt. Die Erkenntnis legt nahe, dass wild unterschiedliche Prozesse von der Kristallbildung bis zu Bakterienkolonien denselben verborgenen Regeln folgen könnten.
Eine 1986 geborene Theorie bekommt endlich ihren Beweis
1986 stellten Forscher die Kardar-Parisi-Zhang Gleichung vor, eine Theorie, die das Wachstum in vielen Systemen beschreiben sollte. Die Idee war einfach: Sehr unterschiedliche Systeme könnten beim Wachstum denselben zugrundeliegenden Regeln folgen. Die Theorie war 2022 in einer Dimension bestätigt worden. Aber der Beweis in zwei Dimensionen blieb bis jetzt unerreichbar.
Wie sie ein ultrakaltes Quantenexperiment aufbauten
Forscher der Universität Würzburg entwarfen einen hochkontrollierten Quantenaufbau, um die Theorie zu testen. Sie kühlten einen Halbleiter aus Galliumarsenid auf minus 269,15 Grad Celsius und stimulierten ihn kontinuierlich mit einem Laser. Unter diesen Bedingungen bildeten sich im Material ungewöhnliche Teilchen namens Polaritonen. Polaritonen sind Hybride aus Licht und Materie, die Photonen mit Exzitonen kombinieren. Sie existieren nur kurz und nur unter Nichtgleichgewichtsbedingungen.
Das Team maß, wie sich diese Teilchen in Raum und Zeit bewegten. Dies war die erste experimentelle Demonstration der KPZ Universalität in einem zweidimensionalen System sowohl in Raum als auch in Zeit. Die Herausforderung bestand darin, dass Wachstumsprozesse immer nichtlinear und zufällig sind. Ein System zu entwickeln, das messen kann, wie sich ein solcher Prozess auf ultrakurzen Zeitskalen entwickelt, war extrem schwierig. Es ist erst seit kurzem technisch machbar.
Warum lokale Wissenschaftler und die Welt sich dafür interessieren
Für die lokale Forschungsgemeinschaft in Würzburg stellt dieser Durchbruch jahrelange Arbeit dar. Das Team ist Teil des Exzellenzclusters ct.qmat. Postdoktorand Siddhartha Dam erklärte, dass die Verifizierung des KPZ Modells in zwei Dimensionen so lange dauerte, weil diese Prozesse auf ultrakurzen Zeitskalen ablaufen. Dem Team gelang es, ein Nichtgleichgewichts Quantensystem im Labor zu kontrollieren.
Der KPZ Rahmen wurde auf alles von Kristallbildung und Populationsdynamik bis zu Flammenfronten und sogar maschinellem Lernen angewendet. Diese experimentelle Bestätigung stärkt die Idee, dass sehr unterschiedliche Systeme alle denselben verborgenen Regeln folgen könnten, wenn sie wachsen.
Dieser Meilenstein zeigt, wie universell das Wachstumsmodell wirklich ist. Er öffnet die Tür, um Wachstumsprozesse in Physik, Biologie und Materialwissenschaft mit einem einzigen Satz von Prinzipien zu verstehen.
