Physiker um Prof. Raphael Wittkowski und Prof. Uwe Thiele vom Institut für Theoretische Physik der Universität Münster haben ein neues Modell für die Dynamik von Systemen entwickelt, die aus vielen selbstfahrenden Teilchen bestehen.
Die Untersuchung aktiver Teilchen ist eines der am schnellsten wachsenden Gebiete der Physik. Mit „aktiven Teilchen“ bezeichnen Physiker Objekte, die sich durch inneren Eigenantrieb von selbst bewegen. Dazu gehören Lebewesen wie Bakterien und schwimmende Fische, fliegende Vögel oder herumlaufende Menschen – sowie künstliche Nano-Roboter, die in den Körper eingeführt werden können, um Medikamente zu transportieren.
Besonders interessiert die Experten das Verhalten von Systemen mit vielen aktiven Teilchen, um beispielsweise Vogelschwärme, Biofilme oder Menschenansammlungen zu verstehen. In Zusammenarbeit mit Prof. Eyal Heifetz von der Universität Tel Aviv in Israel haben die Physiker Dr. Michael te Vrugt, Tobias Frohoff-Hülsmann, Prof. Uwe Thiele und Prof. Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster entwickelt ein neues Modell („aktives Modell I+“) für die Dynamik von Systemen, die aus vielen aktiven Teilchen bestehen.
Die Studie wurde jetzt im Fachblatt veröffentlicht Naturkommunikation.
„Dieses Modell beschreibt insbesondere das Szenario, dass die auf die Partikel wirkenden Reibungskräfte gering sind – ein bisher wenig untersuchter Fall“, erklärt Erstautor Michael te Vrugt. In ihrer Arbeit fand das Team heraus, dass dieses Modell für bestimmte Parameterwerte identisch mit der Schrödinger-Gleichung aussieht.
Die Schrödinger-Gleichung ist die Grundgleichung der Quantenmechanik, die das Verhalten extrem kleiner Teilchen wie Elektronen oder Protonen beschreibt. Diese Analogie ermöglicht es, in aktiven Systemen Analogien zu aus der Quantenmechanik bekannten Effekten zu finden. In ihrer aktuellen Arbeit haben die Physiker den Tunneleffekt und Dunkle Materie untersucht.
Der Tunneleffekt ist ein Phänomen in der Quantenmechanik, bei dem sich ein Teilchen durch eine Barriere bewegt (oder „durchtunnelt“), obwohl es eigentlich nicht genug Energie dafür hat. Dieser Effekt spielt beim radioaktiven Zerfall eine Rolle, ist aber beispielsweise auch beim Speichern von Daten auf einem Memory Stick wichtig. Die Autoren konnten nun zeigen, dass die Dichteverteilung aktiver Teilchen, die mit einem Laserstrahl beleuchtet werden, ähnlich der Wahrscheinlichkeitsverteilung eines quantenmechanischen Teilchens im Tunneleffekt ist.
Dunkle Materie ist eine Form von Materie, die nicht mit sichtbarem Licht wechselwirkt und deren Zusammensetzung bisher nicht verstanden wurde, deren Existenz jedoch aus einer Vielzahl von astronomischen Beobachtungen bekannt ist. In ihrer Studie hat das Team nun durch Vergleich der entsprechenden mathematischen Modelle gezeigt, dass sich elektrisch geladene aktive Teilchen ähnlich wie dunkle Materie verhalten. „Das eröffnet die Möglichkeit, kosmologische Prozesse der Strukturbildung im Labor nachzubilden“, sagt Raphael Wittkowski.
Mehr Informationen:
Michael te Vrugt et al., Von einem mikroskopischen Trägheitsmodell aktiver Materie zur Schrödinger-Gleichung, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-022-35635-1
Zur Verfügung gestellt von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster