Die Bedeutung von Informationsflüssen für aktive Materie

• Antragstellerin: Dr. Sarah Loos
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498288081

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Unsere Welt, einschließlich aller lebenden und vieler synthetischer Systeme, ist durch ständige Energieumwandlungen gekennzeichnet. So sind unsere Lebensfunktionen nur durch die permanente Umwandlung von Energie aus einer „Brennstoffquelle“ (Nahrung/ATP) in eine gerichtete Bewegung aufrechtzuerhalten. Ebenso braucht ein Computer eine elektrische Energiequelle, um rechnen zu können. Eine solche ständige Energieumwandlung ist auch erforderlich, um die Zunahme der Entropie lokal zu bekämpfen, die laut dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik letztlich alle Ordnung, Komplexität und Struktur zerstören und zu einer homogenen Materie- und Energieverteilung führen würde. Daher operieren komplexe Systeme in der Regel jenseits des thermischen Gleichgewichtes. Dies ermöglicht wiederum eine reichhaltigere Dynamik. Besonders eindrückliche Beispiele sind die selbstorganisierten Muster von Fisch- oder Vogelschwärmen. Aus Sicht der statistischen Physik kann man den einzelnen Fisch eines Schwarms als Teilchen einer Flüssigkeit betrachten. Anders als ein gewöhnliches Teilchen kann er sich jedoch selbst fortbewegen und wird daher als aktives Teilchen bezeichnet. Ein weiterer Unterschied, der erst in jüngster Zeit in der Forschung Beachtung findet, besteht darin, dass ihre Wechselwirkungen nicht dem Actio=Reactio-Prinzip gehorchen müssen, d. h. nicht reziprok sein müssen. Ein wichtiges Ziel moderner statistischer Physik ist es die grundlegenden Gesetze solcher Nichtgleichgewichtssysteme, und wie ihre Dynamik durch Energie- und Entropieflüsse angetrieben wird, zu verstehen. Dabei bieten Konzepte der stochastischen Thermodynamik, wie die fluktuierende Entropieproduktion, einen vielversprechenden neuen Ansatz. In meinem Walter-Benjamin-Projekt habe ich anhand von Beispielmodellen thermodynamische Eigenschaften aktiver Systeme auf verschiedenen Skalen, und ihren Zusammenhang zur Strukturbildung herausgearbeitet. Eine zentrale Idee war es dabei Konzepten aus der Informationstheorie, die bereits in der thermodynamischen Beschreibung von Computern und extern kontrollierten Systemen, etabliert sind, einzubeziehen. Ein wichtiges Ergebnis betrifft Spinsysteme mit begrenzten Sichtkegeln. Hier kann Nichtreziprozität zu langreichweitiger Ordnung führen. Weiterhin verursacht sie gerichtete Ausbreitung von Information, und damit von lokalen Defekten, was Entropie erzeugt. Wir konnten außerdem zeigen, dass das Auftreten dynamischer Phasen in nichtreziproken binären Flüssigkeiten mit einem Anstieg der informatischen Entropieproduktion einhergeht. Solche Phasenübergänge werden durch eine kollektive, gerichtete Bewegung der gebildeten Muster eingeläutet. Bei einem einzelnen aktiven Schwimmer unter externer Kontrolle können mit Messungen verbundene Informationsflüsse effizienter genutzt werden als in passiven Systemen. Unsere Erkenntnisse tragen zum grundlegenden Verständnis der Beziehungen zwischen Entropie, Energie und Informationsflüssen in Nichtgleichgewichtssystemen bei.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Entropy production in the nonreciprocal Cahn-Hilliard model. Physical Review E, 108(6).
  Suchanek, Thomas; Kroy, Klaus & Loos, Sarah A. M.
  
• Irreversible Mesoscale Fluctuations Herald the Emergence of Dynamical Phases. Physical Review Letters, 131(25).
  Suchanek, Thomas; Kroy, Klaus & Loos, Sarah A. M.
  
• Long-Range Order and Directional Defect Propagation in the Nonreciprocal XY Model with Vision Cone Interactions. Physical Review Letters, 130(19).
  Loos, Sarah A. M.; Klapp, Sabine H. L. & Martynec, Thomas
  
• Time-reversal and parity-time symmetry breaking in non-Hermitian field theories. Physical Review E, 108(6).
  Suchanek, Thomas; Kroy, Klaus & Loos, Sarah A. M.
  
• Stochastic thermodynamics of a probe in a fluctuating correlated field. Europhysics Letters, 146(2), 27001.
  Venturelli, Davide; Loos, Sarah A. M.; Walter, Benjamin; Roldán, Édgar & Gambassi, Andrea
  
• Universal Symmetry of Optimal Control at the Microscale. Physical Review X, 14(2).
  Loos, Sarah A. M.; Monter, Samuel; Ginot, Felix & Bechinger, Clemens