16.03.2023

Aktive Teilchen erhellen dunkle Materie

Tunneleffekt und dunkle Materie lassen sich mit Hilfe aktiver Teilchen simulieren.

Die Untersuchung von aktiven Teilchen ist eines der am schnellsten wachsenden Teilgebiete der Physik. Aktive Teilchen sind Objekte, die sich durch einen internen Antrieb von alleine fort­bewegen. Dazu zählen Lebewesen wie schwimmende Bakterien und Fische, fliegende Vögel oder herumlaufende Menschen, aber auch künstliche Nanoroboter, die zum Beispiel für den Medikamenten­transport im Körper eingesetzt werden können. Insbesondere interessieren sich die Fachleute für das Verhalten von Systemen aus vielen aktiven Teilchen, um hierdurch beispielsweise Vogelschwärme, Biofilme oder Menschen­ansammlungen zu verstehen. Die Physiker Michael te Vrugt, Tobias Frohoff-Hülsmann, Uwe Thiele und Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben nun in Zusammenarbeit mit Eyal Heifetz von der Universität Tel Aviv, Israel, ein neues Modell („active model I+“) für die Dynamik von Systemen aus vielen aktiven Teilchen entwickelt.

 

Abb.: Die Dichteverteilung von mit einem Laser­strahl bestrahlten aktiven...
Abb.: Die Dichteverteilung von mit einem Laser­strahl bestrahlten aktiven Teilchen ähnelt derjenigen beim Tunneleffekt. (Bild: M. te Vrugt et al. / Nat. Res.)

„Dieses Modell beschreibt insbesondere Teilchen, auf die nur geringe Reibungs­kräfte wirken, ein bislang nur wenig untersuchter Fall“, erklärt Erstautor Michael te Vrugt. Hierbei hat das Team festgestellt, dass dieses Modell für bestimmte Parameter­werte genauso aussieht wie die Schrödinger­gleichung. Die Schrödinger­gleichung ist die Grundgleichung der Quanten­mechanik, welche das Verhalten von extrem kleinen Teilchen wie Elektronen oder Protonen beschreibt. Durch diese Analogie ist es möglich, in aktiven Systemen Analogien zu aus der Quanten­mechanik bekannten Effekten zu finden. Die Physiker untersuchten in der aktuellen Arbeit zum einen den Tunnel­effekt und zum anderen dunkle Materie.

Der Tunneleffekt ist ein quanten­mechanisches Phänomen, bei dem ein Teilchen durch eine Barriere hindurchdringt, obwohl es dafür eigentlich zu wenig Energie hat. Dieser Effekt spielt eine Rolle beim radioaktiven Zerfall, ist aber auch beispielsweise für den Speichervorgang in USB-Sticks wichtig. Die Autoren konnten nun zeigen, dass sich die Dichteverteilung von aktiven Teilchen, die mit einem Laserstrahl beleuchtet werden, in etwa wie die Wahrscheinlichkeits­verteilung eines quanten­mechanischen Teilchens beim Tunneleffekt verhält.

Dunkle Materie ist eine Form von Materie, die nicht mit sichtbarem Licht wechselwirkt und deren Zusammensetzung bislang nicht verstanden ist, von deren Existenz man aber aus einer Vielzahl astronomischer Beobachtungen weiß. In der Studie wies das Team nun durch einen Vergleich der entsprechenden mathematischen Modelle nach, dass sich elektrisch geladene aktive Teilchen ähnlich wie dunkle Materie verhalten. „Dies eröffnet eine Möglichkeit, kosmologische Struktur­bildungs­prozesse im Labor nachzustellen“, kommentiert Raphael Wittkowski.

WWU / DE

 

Weitere Infos

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Virtuelle Jobbörse

Virtuelle Jobbörse
Eine Kooperation von Wiley-VCH und der DPG

Virtuelle Jobbörse

Innovative Unternehmen präsentieren hier Karriere- und Beschäftigungsmöglichkeiten in ihren Berufsfeldern.

Die Teilnahme ist kostenfrei – erforderlich ist lediglich eine kurze Vorab-Registrierung.

Meist gelesen

Themen