Stochastische Thermodynamik in getriebenen Kolloidsystemen

• Applicant: Dr. Valentin Blickle
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2008 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 93694128

Seit einigen Jahren tritt die Bedeutung kleiner thermischer Systeme, wie mikromechanische / biologische Maschinen, molekulare Motoren bzw. Makromoleküle, in denen Fluktuationen nicht vernachlässigt werden können in der Vordergrund. Zusätzlich befinden sich solche Systeme oftmals außerhalb des thermischen Gleichgewichts, und charakteristische Relationen wie der Boltzmann-Faktor und die Einstein Relation verlieren ihre Gültigkeit. Stationäre Nichtgleichgewichtszustände sind dabei der zentrale Ausgangspunkt der hier beantragten experimentellen Arbeiten. Wie ein Gleichgewichtszustand ist ein stationärer Nichtgleichgewichtszustand durch eine zeitunabhängige Wahrscheinlichkeitsverteilung charakterisiert, jedoch ist die detaillierte Balance gebrochen und sowohl Wärme als auch Entropie werden ständig mit konstanter Rate erzeugt. Kolloidale Systeme eröffnen dabei die Möglichkeit einer direkten Beobachtung der Fluktuationen, denn die Brown’sche Bewegung findet auf einer Längenskala statt, auf der diese mittels optischer Mikroskopie beobachtet werden kann. Zusätzlich ermöglichen es optische Pinzetten, diese Systeme gezielt aus dem thermischen Gleichgewicht heraus zu treiben. Wie bisherige Untersuchungen von zeitunabhängigen Größen zeigen, behalten viele, für das Gleichgewicht charakteristische Relationen wie die Einstein-Relation und der Boltzmann-Faktor, im stationären Nichtgleichgewicht ihre Gültigkeit, wenn diese durch zusätzliche additive Terme erweitert werden. Zu untersuchen ist, ob sich auch zeitabhängige Größen wie Korrelationsfunktionen bzw. die Response-Funktion auf ähnlich einfache Weise für stationäre Nichtgleichgewichtszustände generalisieren lassen. Für ein tieferes Verständnis von Nichtgleichgewichtszuständen werden in einem nächsten Schritt Mehrteilchensysteme untersucht. Ob sich diese durch einzelne Sondenpartikel beschreiben lassen, ist eine der zentralen noch ungeklärten Fragen. Die hier vorgestellten Vorhaben sind eng mit der Fragestellung verknüpft, ob sich stationäre Nichtgleichgewichtszustände durch eine erweiterte Thermodynamik beschreiben lassen. Sie liefern somit weitere Bausteine für das Verständnis stochastischer Systeme weit außerhalb des thermischen Gleichgewichts.

• DFG Programme: Research Grants