Thermische Fluktuationen im Nicht-Gleichgewicht: Von Quanten- bis zu klassischen Systemen. Fokus: Nichtlineare Systeme

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Krüger
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227697387

• Erstellungsjahr: 2019

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 Phänomeme 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. Häufig sind sogenannte Transport-Koeffizienten im Rahmen von Materialeigenschaften von Bedeutung, welche beschreiben, wie ein System oder Material auf externe Störungen reagiert. Beispiele sind der Wärmetransportkoeffizient oder die Viskosität. Für viele Systeme ist die theoretische Berechnung dieser Koeffizienten (selbst für kleine Storungen) anspruchsvoll und teilweise noch nicht erreicht. Das beschriebene Projekt befasst sich mit der Fragestellung, wie sich stark nichtlineare Systeme im Nichtgleichgewicht verhalten. Dies wurde in drei verschiedenen Stoßrichtungen untersucht; zum einen wurden die Fluktuationen eines getriebenen Kolloides in einem viskoelastischen Bad studiert, und zum anderen die Fluktuationen des elektromagnetischen Feldes in der Nähe von Objekten mit nichtlinearen optischen Eigenschaften. Die beiden Projekte haben als Gemeinsamkeit die Beschreibung uber nichtlineare stochastische Gleichungen. Die dritte Stoßrichtung befasst sich mit der nichtlinearen Antworttheorie, welche ebenfalls Verbindungen zu den anderen beiden aufweist: Die nichtlineare Antworttheorie liefert prinzipiell die Koeffizienten der erwähnten nichtlinearen stochastischen Gleichungen. Das Ziel für zukünftige Arbeiten ist daher die Zusammenfühurung der drei Stoßrichtungen, um ein übergreifendes Verständnis von nichtlinearen Systemen fern vom Gleichgewicht zu erreichen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Extrapolation to nonequilibrium from coarse grained response theory. Phys. Rev. Lett. 120, 180604 (2018)
  U. Basu, L. Helden, and M. Krüger
  
• 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