무질서 속에서도 거대한 규모에서 질서를 드러낸다.
뷔르츠부르크 대학교 연구진은 2D 양자 시스템에서 발생하는 카오스적 성장(chaotic growth)이 카르다르-파리시-장(Kardar–Parisi–Zhang, KPZ) 방정식을 따른다는 것을 최초로 입증하며, 40년 된 물리학 이론을 확증했습니다. 수십 년 동안 물리학자들은 불타는 불꽃의 확산부터 박테리아의 성장까지, 매우 무질서한 성장 과정조차도 숨겨진 통계적 규칙을 따른다고 믿어왔습니다.
지금까지 KPZ 모델은 거칠고 불균일한 표면이 무작위 조건 하에서 어떻게 진화하는지를 설명하는 모델이었으나, 이 모델은 단일 차원 시스템에서만 검증된 사례가 대부분이었습니다. 이는 시스템에 개입되는 극단적인 속도와 규모 때문에 더욱 현실적인 2D 환경으로 확장하는 것이 실험적으로 난제였기 때문입니다. 이번에 Science 저널에 발표된 연구진의 발견은 이 분야에서 오랫동안 풀리지 않던 간극을 메우며, 이론이 실제로 2D 시스템까지 확장될 수 있음을 증명했습니다.
이 획기적인 연구 결과는 과학자들이 실세계의 비평형 시스템에서 발생하는 복잡한 성장 과정을 이해하고 모델링하는 데 중요한 발전을 가져올 것입니다.
연구팀의 공동 저자이자 포닥 연구원인 Siddhartha Dam은 “표면이 성장하는 과정—그것이 결정체, 박테리아, 또는 불꽃 전선이든 상관없이—은 항상 비선형적이고 무작위적입니다. 물리학에서는 이러한 시스템을 비평형 상태로 설명합니다.”라고 설명했습니다.
이어 그는 “비평형 과정이 시공간에 걸쳐 어떻게 진화하는지를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 설계하는 것은 극도로 어렵습니다. 특히 이러한 과정들은 초단시간(ultrashort timescales)에 전개되기 때문입니다. 이것이 2차원에서 KPZ 모델을 검증하는 데 오랜 시간이 걸린 이유입니다. 저희는 이제 실험실에서 비평형 양자 시스템을 제어하는 데 성공했는데, 이는 최근에야 기술적으로 가능한 일이었습니다.”라고 덧붙였습니다.
이 목표를 달성하기 위해 연구팀은 절대 영도에 가까운 −269.15°C (−452.47°F)로 냉각된 갈륨 비소(gallium arsenide, GaAs) 반도체를 활용하여 고도로 통제된 양자 시스템을 구축했습니다. 연구진은 레이저로 이 물질을 지속적으로 조사하여 폴라리톤(polaritons)이라 불리는 단명 하이브리드 입자를 생성했는데, 이는 빛과 물질이 혼합된 형태이며 피코초(picoseconds) 내에 생성되고 붕괴합니다.
이 폴라리톤은 급격하게 진화하는 '성장' 시스템처럼 행동합니다. 폴라리톤이 물질 전반에 걸쳐 생성되고 확산되면서, 그 분포는 공간과 시간 모두에서 변화하며, 연구진이 본질적으로 무작위적인 조건 하에서 시스템이 어떻게 발전하는지 추적할 수 있게 합니다.
팀은 분광학(spectroscopy)과 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometry)를 사용하여 이러한 진화 과정을 정밀하게 모니터링하고, 시스템의 변동(fluctuations)이 어떻게 규모를 가지고 퍼져나가는지를 포착했습니다. 그들의 분석 결과, 폴라리톤의 거동은 2차원에서 KPZ 방정식이 예측하는 통계적 패턴과 매우 근접하게 일치했습니다.