Brownsche Teilchen in Nichtgleichgewichts-Bädern: Experiment und Theorie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zustände oder Systeme im Nichtgleichgewicht sind ein sehr reicher und komplexer Bereich der Statistischen Physik. Der Reichtum an Effekten ergibt sich unter anderem daraus, dass einige Einschränkungen, zum Beispiel in Form von Theoremen, keine Gültigkeit im Nichtgleichgewicht haben, und so viele Phänomene möglich sind, die im Gleichgewicht unbeobachtbar bleiben. Die Komplexität ergibt sich aus ähnlichen Gründen, sodass die Beschreibung des Nichtgleichgewichts, im Vergleich zum Gleichgewicht, oftmals schwierig ist. Das vorliegende Projekt befasst sich mit der experimentellen und theoretischen Untersuchung eines Modellsystems, welches auf der einen Seite so einfach ist, dass eine klare experimentelle und theoretische Behandlung im Prinzip möglich erscheint, aber auch so komplex, dass nichttriviale Nichtgleichgewichts-Zustände erreicht werden: Ein Brownsches Teilchen in einer viskoelastischen Lösung. Es zeigte sich, dass dieses System Eigenschaften zeigt, die bei Antragstellung völlig unerwartet waren. Unter anderem sind dies oszillatorische Zustände, die aufgrund der Überdämpfung in Brownschen Systemen im Gleichgewicht ausgeschlossen sind. Aufgrund dieser Beobachtung änderte sich die Zeilsetzung des Projektes in der Hinsicht, dass zunächst ein 'Schritt zurück' vollzogen wurde, um das System im Gleichgewicht genauer charakterisieren zu können. Auf theoretischer Seite konnten verschiedene analytische Zusammenhänge erreicht werden. Vielversprechend ist auch die Entwicklung des oben genannten Stochastischen Prandtl Tomlinson Modells, welches einige Aspekte der Experimente gut beschreibt, und unter anderem das Auftreten der Oszillationen reproduziert. Das Projekt eröffnet weitreichende Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten, die teilweise bereits in Angriff genommen werden. Die Verbesserung des experimentellen Aufbaus an der Universität Konstanz sowie das Aufkeimen eines theoretischen Verständnisses erlauben eine Erweiterung in vielfältiger Weise. Zum Beispiel können die Anzahl der Teilchen erhöht werden, aktive Teilchen verwendet werden, oder die Art des Fallenpotentials verändert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Heat radiation and transfer for point particles in arbitrary geometries. Phys. Rev. B 96, 155402 (2017)
K. Asheichyk, B. Müller, and M. Krüger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.155402) - Tuning the motility and directionality of self-propelled colloids. Nature Communications 7, 14891 (2017)
J. R. Gomez-Solano, S. Samin, C. Lozano, P. Ruedas-Batuecas, R. van Roij, and C. Bechinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-14126-0) - Memory-induced transition from a persistent random walk to circular motion for achiral microswimmers. Phys. Rev. Lett. 121, 078003 (2018)
N. Narinder, C. Bechinger, and J. R. Gomez-Solano
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.078003) - Oscillating modes of driven colloids in overdamped systems. Nat. Commun. 9, 999 (2018)
J. Berner, B. Müller, J. R. Gomez-Solano, M. Krüger, and C. Bechinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-018-03345-2) - Run-and-tumble-like motion of active colloids in viscoelastic media. New Journal of Physics 20(1), 015008 (2018)
C. Lozano, J. R. Gomez-Solano, and C. Bechinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa9ed1) - Active particles sense micromechanical properties of glasses. Nature Materials 18, 1118 (2019)
C. Lozano, J. R. Gomez-Solano, and C. Bechinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41563-019-0446-9) - Coarse-grained second-order response theory. Phys. Rev. Research 2, 043123 (2020)
F. Müller, U. Basu, P. Sollich, and M. Krüger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043123) - Properties of a nonlinear bath: experiments, theory, and a stochastic prandtl–tomlinson model. New Journal of Physics 22(2), 023014 (2020)
B. Müller, J. Berner, C. Bechinger, and M. Krüger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab6a39)
