Nichtreziproke chirale aktive Materie: Kollektives Verhalten und Thermodynamik

• Antragstellerin: Professorin Dr. Sabine Klapp
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517665044

Systeme mit nichtreziproken Kopplungen bilden aktuell ein wichtiges Forschungsthema in einer Reihe von Gebieten der Physik, von modernen Quantenmaterialien überbiologische Systeme und (aktive) Kolloide bis hin zu sozialen Netzwerken. Diverse Arbeiten der letzten Jahre haben gezeigt, dass solche Systeme intrinsisch im Nichtgleichgewicht sind und faszinierende dynamische Eigenschaften aufweisen. Bisher wurden die meisten Resultate für weiche, nicht-reziproke Systeme auf feldtheoretischer Ebene gewonnen, so dass ein detailliertes Verständnis auf Teilchenebene bislang vielfach fehlt. Im vorliegenden Antrag betrachten wir ein nichtreziprokes System aus der aktiven weichen Materie, konkret eine Mischung aus Kreisschwimmern mit asymmetrischen Orientierungs- und zusätzlichen repulsiven Wechselwirkungen. Kreisschwimmer bilden eine wichtige Unterklasse von aktiven Teilchen. In Vorarbeiten haben wir die Dynamik eines solchen Systems auf Basis einer hydrodynamischen Theorie untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die nichtreziproken Kopplungen einen entscheidenden Einfluss auf die entstehenden dynamischen Zustände haben. Ein erstes Kernziel des vorliegenden Antrags ist es, diese Phänomene auf Teilchenbasis, d.h. durch numerische Lösung der zugrundeliegenden Langevin-Gleichungen, zu studieren. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Untersuchung "dynamisch frustrierter" Situationen, für die feldtheoretische Studien die spontane Bildung von zeitabhängigen kollektiven Zuständen mit Symmetriebrechung vorhersagen. Das zweite Kernziel ist die Charakterisierung des Nichtgleichgewichtsverhaltens durch Größen aus der stochastischen Thermodynamik, insbesondere Maßen für Brechung der Zeitumkehrsymmetrie. Hierfür werden wir verschiedene, aus der Literatur bekannte Größen auf das vorliegende Modellsystem erweitern und numerisch untersuchen. Ausgehend von Rechnungen auf Teilchenebene streben wir längerfristig auch die Berechnung entsprechender Feldgrößen an.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen