08 Fakultät Mathematik und Physik

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Institute: search.filters.UBSInstitut.2. Physikalisches InstitutAuthor: search.filters.author.Mehl, Jakob

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    Getriebene kolloidale Teilchen
    (2013) Mehl, Jakob; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)
    Die Entwicklung neuer Experimentaltechniken, wie der optischen Pinzette Anfang der 1970er und der Kraftmikroskopie Mitte der 1980er, hatte für das Forschungsgebiet der weichen Materie erhebliche Konsequenzen. Insbesondere biologische und kolloidale Systeme konnten von nun an auf ihren intrinsischen Längenskalen untersucht und manipuliert werden. Infolgedessen rückten diese, bis dahin eher den Biologen und Chemikern vorbehaltenen Domänen, in den Fokus der Forschung vieler physikalischer Arbeitsgruppen. Als ungemein fruchtbar stellte sich dabei das interdisziplinäre Zusammenspiel der Bio-und Kolloidphysik heraus, denn biologische und kolloidale Systeme teilen sich etliche charakteristische Merkmale. Allen voran erstreckt sich ihre Längenskala über den mesoskopischen Bereich und damit von einem Nanometer bis zu einem Mikrometer. Darüber hinaus ist ihr Energieaustausch mit dem sie umgebenden Wärmebad von der Größenordnung der thermischen Energie, sodass wegen ihrer im Allgemeinen geringen Anzahl an Freiheitsgraden Fluktuationen beobachtbar sind. Aufgrund dessen werden beide Arten von Systemen auch der Klasse der kleinen Systeme zugeordnet. Kolloidale Systeme erweisen sich somit als ideale Kandidaten, um gezielt die Eigenschaften von biologischen Systemen zu studieren, zumal ihr Phasenraum mittels optischer Mikroskopie direkt zugänglich ist. In den letzten zwei Jahrzehnten konnten somit vor allem große Fortschritte im Verständnis über die Beschaffenheit von molekularen Motoren und Makromolekülen errungen werden. Wenn nicht schon durch ihre natürliche Umgebung, so werden kleine Systeme spätestens durch eine externe Manipulation aus dem thermodynamischen Gleichgewicht in ein Nichtgleichgewicht getrieben. Im Gegensatz zur Gibbs-Boltzmann-Statistik, die eine vollständige Beschreibung von Gleichgewichtssystemen ermöglicht, mangelt es bislang an einer umfassenden Theorie für Nichtgleichgewichtssysteme. Parallel zu der aufkommenden Vielzahl an bahnbrechenden Experimenten wurden deshalb in den letzten zwei Jahrzehnten vermehrt Anstrengungen unternommen, einen beschreibenden Formalismus für getriebene kleine Systeme zu entwickeln. Als besonders vielversprechender Anwärter gilt dabei die stochastische Energetik oder vielmehr die stochastische Thermodynamik. Innerhalb dieser werden Notationen wie die innere Energie, Arbeit, Wärme und Entropie aufgrund der omnipräsenten Fluktuationen zu stochastischen Größen. Obwohl nun durch eine Verteilung mit endlicher Breite beschrieben, erfüllen sie äquivalent zur klassischen Thermodynamik den ersten und zweiten Hauptsatz. Für stationäre Nichtgleichgewichte, eine spezielle Klasse von Nichtgleichgewichtssystemen, weist die stochastische Thermodynamik über das Konzept der stochastischen Entropie zwei besonders starke Gesetzmäßigkeiten aus. Zum einen das Fluktuationstheorem und zum anderen das Fluktuations-Dissipations-Theorem. Im Zuge der Auseinandersetzung mit diesen bilden kolloidale Teilchen den Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Im Sinne eines reduktionistischen Ansatzes eignen sie sich im Besonderen, um die Eigenschaften kleiner Systeme zu studieren und die Gesetzmäßigkeiten der stochastischen Thermodynamik zu überprüfen.
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    ItemOpen Access
    Non-equilibrium work distribution for interacting colloidal particles under friction
    (2015) Gomez-Solano, Juan Ruben; July, Christoph; Mehl, Jakob; Bechinger, Clemens
    We experimentally investigate the non-equilibrium steady-state distribution of the work done by an external force on a mesoscopic system with many coupled degrees of freedom: a colloidal crystal mechanically driven across a commensurate periodic light field. Since this system mimics the spatiotemporal dynamics of a crystalline surface moving on a corrugated substrate, our results show general properties of the work distribution for atomically flat surfaces undergoing friction. We address the role of several parameters which can influence the shape of the work distribution, e.g. the number of particles used to locally probe the properties of the system and the time interval to measure the work. We find that, when tuning the control parameters to induce particle depinning from the substrate, there is an abrupt change of the shape of the work distribution. While in the completely static and sliding friction regimes the work distribution is Gaussian, non-Gaussian tails show up due to the spatiotemporal heterogeneity of the particle dynamics during the transition between these two regimes.