Fluktuationen von Nanoteilchen in Laserfallen fern vom Gleichgewicht

Christoph Dellago (Universität Wien) und Lukas Novotny (ETH Zürich) Durch den rasanten Fortschritt, welcher in den letzten Jahren in der gezielten Manipula- tion und Kontrolle von Materie auf der molekularen Ebene erzielt wurde, liegt die Konstrukti- on von Nanomaschinen nun im Bereich des technisch Machbaren. Dies eröffnet eine breite Palette von möglichen Anwendungen, unter anderem in Bereichen mit großer gesellschaftli- cher Bedeutung wie zum Beispiel Energie und Gesundheit. Solche Nanomaschinen operie- ren jedoch unter komplett anderen Bedingungen als jene, mit denen man es üblicherweise in der Planung und Konstruktion makroskopischer Maschinen zu tun hat. Während man auf der makroskopischen Skala durch geeignete Maßnahmen Reibungsverlust stark reduzieren kann, ist dies für Nanomaschinen prinzipiell unmöglich. Genau wie die biologischen, moleku- laren Motoren in lebenden Zellen, sind solche Systeme typischerweise ständig heftigen Stö- ßen von Atomen und Molekülen aus ihrer Umgebung ausgesetzt. Infolge dieser starken Stö- rungen gehorchen Nanomaschinen nicht den deterministischen Gesetzen der makroskopi- schen Mechanik und Thermodynamik, sodass Zufall für Nanomaschinen eine wesentlich stärkere Rolle spielt, als in traditionellen Bereichen der Technik. Die Dynamik von nano- skopischen Systemen ist also stochastisch und dieses Zufallselement muss in der Konstruk- tion und in der Analyse von Nanomaschinen berücksichtigt werden. Von einer theoretischen Perspektive aus betrachtet haben die sogenannten Fluktuati- onstheoreme, welche die Wahrscheinlichkeit von Fluktuationen fern vom Gleichgewicht be- schreiben, einen wesentlichen Beitrag zu unserem Verständnis von Nanosystemen geliefert. Insbesondere quantifizieren diese Theoreme kurzzeitige, scheinbare Verletzungen des zwei- ten Hauptsatzes der Thermodynamik, einem der Eckpfeiler der modernen Physik, und wer- fen somit ein neues Licht auf die Bedeutung von Irreversibilität und Dissipation auf der nano- skopischen Ebene. In diesem Kooperationsprojekt zwischen der Universität Wien und der ETH Zürich verwenden wir die Werkzeuge der stochastischen Thermodynamik, eine Theorie zur Beschreibung von Wärmeaustausch und Arbeit in kleinen Systemen, um die Dynamik von Nanoteilchen in Laserfallen fern vom Gleichgewicht zu untersuchen. In solchen Lichtfal- len können Nanoteilchen mit Hilfe der winzigen Kräfte, welche vom Laserlicht ausgeübt wer- den, präzise manipuliert werden. Anhand dieses Laborexperiments werden wir die Bedeu- tung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik auf der Nanoskala sowie seine Konse- quenzen für den Betrieb von Nanomaschinen und die physikalischen Grenzen der Informati- onsverarbeitung untersuchen.

Fluktuationen von Nanoteilchen in Laserfallen fern vom Gleichgewicht Christoph Dellago (Universität Wien) und Lukas Novotny (ETH Zürich) Durch den rasanten Fortschritt, welcher in den letzten Jahren in der gezielten Manipulation und Kontrolle von Materie auf der molekularen Ebene erzielt wurde, liegt die Konstruktion von Nanomaschinen nun im Bereich des technisch Machbaren. Dies eröffnet eine breite Palette von möglichen Anwendungen, unter anderem in Bereichen mit großer gesellschaftlicher Bedeutung wie zum Beispiel Energie und Gesundheit. Solche Nanomaschinen operieren jedoch unter ganz anderen Bedingungen als jene, mit denen man es üblicherweise in der Planung und Konstruktion makroskopischer Maschinen zu tun hat. Während man auf der makroskopischen Skala durch geeignete Maßnahmen Reibungsverlust stark reduzieren kann, ist dies für Nanomaschinen prinzipiell unmöglich. Genau wie die biologischen, molekularen Motoren in lebenden Zellen, sind solche Systeme ständig heftigen Stößen von Atomen und Molekülen aus ihrer Umgebung ausgesetzt. Infolge dieser starken Störungen gehorchen Nanomaschinen nicht den deterministischen Gesetzen der makroskopischen Mechanik und Thermodynamik, sodass Zufall für Nanomaschinen eine wesentlich stärkere Rolle spielt, als in traditionellen Bereichen der Technik. Die Dynamik von nanoskopischen Systemen ist also stochastisch und dieses Zufallselement muss in der Konstruktion und in der Analyse von Nanomaschinen berücksichtigt werden. In einem vom österreichischen FWF und dem schweizerischen Nationalfonds geförderten Projekt haben Wissenschaftler der Universität Wien und der ETH Zürich nun Nanoteilchen in Laserfallen benutzt, um die Eigenschaften solcher Nanosysteme zu untersuchen. Dabei ist es ihnen gelungen zu zeigen, dass man durch Erhöhung der Reibung gewisse Übergänge zwischen stabilen Zuständen beschleunigen kann. Außerdem haben die Wissenschaftler herausgefunden, wie aktive Kräfte, welche beispielsweise von Mikroorganismen zur Fortbewegung genutzt werden, die Geschwindigkeit der Übergänge beeinflussen. Die Ergebnisse dieses Projekts sind für die Entwicklung effizienter Nanomaschinen relevant und sollten außerdem helfen, mikrobiologische Transportprozesse besser zu verstehen.