Ballistische Heiße Brownsche Bewegung

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Cichos
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 336492136

Die Brownsche Bewegung ist die unregelmäßige Bewegung mikroskopischer Partikel in einem Fluid, die durch die zahlreichen Kollisionen mit den umgebenden Molekülen entsteht. Durch diesen kumulativen Effekt vieler unabhängiger Ereignisse ist es der Prototyp eines stochastischen Prozesses in der Natur und findet auch in Untersuchungen der Finanzmärkte Anwendung. Die Bewegung eines Brownschen Partikels wird durch thermische Energie angetrieben, die das Partikel kontinuierlich mit seiner Umgebung austauscht. Dadurch reflektiert die Partikelbewegung auch die Temperatur des Lösungsmittels, was in der Stokes Einstein Beziehung durch die Verbindung von Diffusionskoeffizient, thermischer Energie und viskoser Reibung deutlich wird. Diese Beziehung ist im thermischen Gleichgewicht, also bei räumlich konstanter Temperatur, gültig. Alle Freiheitsgrade reflektieren aufgrund des Äquipartitionsprinzips die gleiche Temperatur und selbst auf sehr kurzen Zeitskalen, auf denen die Bewegung des Partikels ballistisch ist, findet man die gleiche Temperatur aus der Geschwindigkeitsverteilung. Die Situation ist anders, wenn das Brownsche Partikel selbst eine Heizquelle oder Temperatursenke darstellt. Wärmeproduzierende chemische und biochemische Reaktionen in Lösung, optisch angeregte plasmonische Partikel oder aktive Objekte wie Mikroschwimmer besitzen eine lokal erhöhte Temperatur. Die Umgebung des Partikels ist nicht mehr isotherm und Experiment und Theorie zeigen, dass diese sogenannte heiße Brownsche Bewegung durch effektive Temperaturen bestimmt wird, die mit der Hydrodynamik in der Umgebung des Partikels verknüpft sind. Dadurch folgen Translations- und Rotationsdiffusion unterschiedlichen effektiven Temperaturen und das Äquipartitionsprinzip verliert seine Gültigkeit.Das Projekt hat zum Ziel, einen experimentellen Nachweis für eine frequenzabhängige effektive Temperatur zur allgemeinen Beschreibung der Bewegung heißer Brownscher Partikel zu erbringen. Insbesondere wird erstmals die Dynamik eines heißen Brownschen Partikels beim Übergang zur ballistischen Bewegung erforscht. Hierbei ist die Bewegung durch den von ihm erzeugten hydrodynamischen Fluss beeinflusst. Auf noch kürzeren Zeitskalen ballistischer Bewegung wird die Partikeldynamik durch die kinetische Temperatur charakterisiert. Die Kopplung der effektiven Temperatur an die Hydrodynamik lässt eine Frequenzabhängigkeit der effektiven Temperatur der heißen Brownschen Bewegung erwarten. Experimentell werden dazu die Fluktuationen eines Goldnanopartikel-dekorierten Polymerpartikels in einer optischen Falle mit einer Zeitauflösung von Nanosekunden und einer Ortsauflösung von etwa 15 Picometer bestimmt. Die Goldnanopartikel werden durch ihre Wechselwirkung mit Licht optisch geheizt. Die Ergebnisse werden es ermöglichen, eine verallgemeinerte Theorie der heißen Brownschen Bewegung und eine allgemeine Beschreibung dieser nicht-isothermen Prozesse in Flüssigkeiten durch effektive Temperaturen zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Klaus Kroy