Die schematische Darstellung von ultrakurzen lasergetriebenen dissipativen kolloidalen Systemen (DCC)

Unser bevorzugtes Modell zur Untersuchung stochastischer Dynamiken ist ein ultraschnelles lasergetriebenes kolloidales System, das wir entwickelt haben und das wir Driven Dissipative Colloids (DDC) nennen. Durch gezielte Konstruktion des Systems, das frei von spezifischen (bio)chemischen, magnetischen oder optischen Wechselwirkungen ist, isolieren und beobachten wir direkt rein physikalische Mechanismen. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, zu untersuchen, wie physische Effekte zu komplexen Mustern und emergenten Verhaltensweisen führen.

Der erste Schritt bestand darin, Fluktuationen über drei verschiedene Phasen zu charakterisieren: vor dem Antrieb, während des externen Antriebs und nach dem Antrieb. Hier ist, was die Daten gezeigt haben:

Während das System im Ruhezustand Standard-Wärmefluktuationen zeigt, löst die Anregung durch Laserpulse Giant Number Fluctuations (GNFs) aus (Nat. Comm. 2017). Dieser Übergang ermöglicht eine schnelle Strukturbildung und verkörpert das Prinzip des Nobelpreisträgers Ilya Prigogine von „Ordnung durch verstärkte Fluktuationen“. Wir haben anschließend aufgeklärt, dass die Statistik der Grenzflächenfluktuationen der wachsenden Struktur der Tracy-Widom (TW) Verteilung folgt (Nat. Phys. 2020), ein Merkmal universeller Wachstumsprozesse.

Der logische nächste Schritt war es, den Laser zu deaktivieren und die Fluktuationen zu beobachten, während sich die Struktur auflöste (die Strukturen existieren nur, während Energie eingepumpt wird). Bei der Messung der Dichtefluktuationen während dieser Relaxationsphase stellten wir fest, dass sie anomal unterdrückt sind, ein Verhalten, das für hochgeordnete Systeme typisch ist. Dies führte zu unserer Entdeckung, dass das System, selbst wenn die sichtbare Struktur verblasst, eine „versteckte Ordnung“ beibehält, die durch ungeordnete Hyperuniformität oder Superhomogenität gekennzeichnet ist, und zwar viel länger (fast eine Stunde) als seine natürlichen Zeitskalen (Mikrosekunden) (JPCM, 2021).

Umfassende Fluktuationsanalyse unseres angetriebenen dissipativen kolloidalen Systems im Ruhezustand (thermisches Gleichgewicht), im angetriebenen Zustand (weit außerhalb des Gleichgewichts) und nach Entfernen des Antriebs (Rückkehr zum Gleichgewicht).

Man kann sich die Rückkopplungsmechanismen als das entscheidende „dritte Zahnrad“ vorstellen, das stochastische und nichtlineare Dynamiken koppelt und es diesem Dreifachmechanismus ermöglicht, den Motor der Komplexität anzutreiben. Um die Betriebsprinzipien dieses Zahnrads zu quantifizieren, haben wir Spielzeugmodelle entwickelt, die auf zwei unserer Modellsysteme basieren: DDC und NLL.

Kombiniert mit unseren rechnerischen Erkenntnissen zeigen diese Systeme, dass positive und negative Rückkopplungsmechanismen intern gekoppelt sind. Diese Dualität diktiert den Lebenszyklus unserer beiden Modellsysteme. Der erste treibt das Entstehen an und beschleunigt das Wachstum, der zweite bietet eine Gegenkraft, um die Ausdehnung zu begrenzen. Das Gleichgewicht zwischen diesen Kräften bestimmt das Schicksal des Systems, ob die entstandene Struktur oder das Verhalten durch Selbstregulation aufrechterhalten wird, in eine neue Form übergeht oder schließlich zerfällt.

Mithilfe der DDC-Plattform haben wir gezeigt, dass dieser Rückkopplungsmechanismus universell (Nat. Phys. 2020) über eine breite Palette von Materie ist, von Quantenpunkten bis zu menschlichen Zellen, und damit eine beispiellose räumliche und zeitliche Kontrolle erreicht.

Die Abbildung zeigt, dass die Wachstumsdynamik unseres DCC-Systems über einen weiten Bereich von Materie hinweg identisch bleibt, einschließlich aktiver Quantenpunkte, passiver mesoskalarer Partikel und lebender Organismen, die in verschiedenen flüssigen Umgebungen wie Chemikalien, Wasser und Nährmedien dispergiert sind. Das begleitende Diagramm zeigt, dass die gemessenen Wachstumsdynamiken auf eine einzige Kurve zusammenfallen, was die zugrundeliegende Universalität des Phänomens hervorhebt.

Aufbauend darauf haben wir über NLL entdeckt, dass Systeme oft konkurrierende Rückkopplungsmechanismen besitzen (arXiv, 2025). Durch strategisches Umschalten zwischen diesen Mechanismen haben NLE und wir gezeigt, dass die Musterbildung nicht nur spontan ist, sondern programmiert werden kann.

Diese Beiträge haben großes Interesse sowohl in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als auch in den Medien geweckt und zu Titelseiten in Fachzeitschriften sowie Berichterstattung in globalen Nachrichten und akademischen Foren geführt.

Wir erweitern unsere Forschung zu Tracy-Widom Statistiken, indem wir ein theoretisches Modell entwickeln, das nichtlokale Korrelationen berücksichtigt, die aus getriebenen dissipativen Dynamiken entstehen. Dieses Vorhaben wird derzeit von Dr. Vahideh Sardari Kurand untersucht.

Parallel dazu haben wir kürzlich experimentelle Studien eingeleitet, um die nichtlokalen Beiträge zur dynamischen Entwicklung der in DDC beobachteten ungeordneten hyperuniformen Zustände (JPCM, 2021) zu klären, wenn sie sich zum thermischen Gleichgewicht hin entspannen. Wir entwickeln auch ein Spielzeugmodell, um einen Rahmen für diese Beobachtungen zu schaffen. Dieses Vorhaben wird derzeit von Dr. Serim Ilday untersucht.

Da DDC fern vom Gleichgewicht arbeiten, fehlt dem System eine einheitliche Temperatur. Eine genaue Charakterisierung ist essenziell, aber notorisch schwierig. Während wir zuvor mechanistische Messungen (wie die mittlere quadratische Verschiebung von Partikeln) und Strömungsdynamik-Berechnungen genutzt haben, hat jede Methode spezifische Kompromisse. Um ein umfassenderes Verständnis zu erreichen, haben wir in optische Nanothermometrie (Nanothermometer bereitgestellt von Zentrum für Angewandte Nanotechnologie CAN) investiert, um uns zu helfen, das räumlich-zeitliche Temperaturprofil zu kartieren. Wir haben eine experimentelle Einrichtung aufgebaut, mit der Dr. Simon Spelthann derzeit wichtige Messungen und Analysen durchführt, um unsere bisherigen Ergebnisse zu vergleichen und zu kontrastieren.

Die Schemata veranschaulichen das raum-zeitliche Temperaturprofil unseres DDC-Systems, wie durch die MSD-Berechnungen (Mittlere Quadratische Verschiebung) bestätigt, die aus den experimentellen Daten abgeleitet wurden.

Nichtlinearitäten erweitern den Phasenraum eines Systems und ermöglichen das Entstehen nicht-trivialer Muster und komplexen Verhaltens. Stochastik ermöglicht es dem System, diesen Raum zu navigieren, indem es Übergänge zwischen verschiedenen stationären Zuständen ermöglicht. Unsere Forschung untersucht diese Dynamiken innerhalb von DDC und NLL sowie in einem dritten Modellsystem, modengekoppelten Lasern (geleitet von und in Zusammenarbeit mit NLE), und bietet eine vergleichende Analyse, wie stochastische und nichtlineare Dynamiken, sowohl unabhängig als auch in Kombination, die Entwicklung eines Systems prägen.

Wir haben einen Langevin-Simulator für DDC entwickelt, der eine groß angelegte statistische Erforschung des weiten Konfigurationsraums ermöglicht, der inhärent zu dynamischen, adaptiven kolloidalen Mustern ist. Wir bereiten derzeit Manuskripte vor, um unsere Ergebnisse zu verbreiten. Parallel dazu haben wir eine hochpräzise Kontrolle über die Musterbildungsdynamik und die Funktionalisierung von Materialoberflächen in NLL demonstriert und sie programmiert, um spezifische Oberflächeneigenschaften zu erreichen (arXiv, 2025).

Kürzlich haben wir uns auf die Robustheit getriebener dissipativer Systeme konzentriert und modengekoppelte Laser und DDC als stark stochastische und nichtlineare Modellsysteme mit großen Phasenräumen verwendet. Modengekoppelte Laser sind eindimensional, mit Emergenz strikt im Zeitbereich. Während DDC quasi-zweidimensional ist, mit Emergenz im räumlichen Bereich untersucht. Wir entwickeln ein allgemeines Maß, das ihre Robustheit trotz ihrer Unterschiede bewerten kann. Dieses Thema wird derzeit von Orçun Okur von NLE untersucht.

Schematische Darstellung des Phasenraums in drei Rahmenwerken: (links) die statische Gleichgewichtslandschaft der klassischen linearen Thermodynamik; (rechts) die strukturierte Attraktor-Geometrie von niedrigdimensionalen nichtlinearen dynamischen Systemen unter schwachen stochastischen Störungen; und (Mitte) der sich entwickelnde, adaptive Phasenraum komplexer Systeme, die weit außerhalb des Gleichgewichts unter stark nichtlinearen und starken stochastischen Bedingungen arbeiten, der eine kontinuierlich umkonfigurierende Zustandsraum-Topologie, emergente Dynamiken, Multistabilität und pfadabhängige Evolution betont, die für komplexe adaptive Systeme charakteristisch sind.

Diese Säule zielt darauf ab, das theoretische Verständnis der Feldkopplung und Nichtlokalität in DDC- und NLL-Systemen voranzubringen. Aufbauend auf unseren zuvor eingeführten und sich weiterentwickelnden Spielzeugmodellen untersuchen wir formale Analogien zwischen diesen Systemen und einer breiteren Klasse von theoretischen Rahmen, um ihren vollen Umfang und ihre Implikationen aufzuklären. Die Arbeit auf der DDC-Seite wird von Dr. Serim Ilday geleitet, während die Bemühungen auf NLL von Dr. F. Ömer Ilday von NLE geleitet werden.

Interne Rückkopplungsmechanismen, die mit unseren drei verschiedenen Modellsystemen verbunden sind.