Kolloidale Monolagen in periodischen Laser-Feldern

Kolloide sind kleine Teilchen von der Größe von 10 Nanometern bis mehreren Mikrometern. Suspensionen von Kolloiden weisen ähnliche Eigenschaften wie molekulare Flüssigkeiten auf und dienen als paradigmatische Modellsysteme in der Physik der kondensierten Materie. Die Bewegung der Teilchen kann direkt mit Lichtmikroskopie verfolgt werden im Gegensatz zu molekularen Flüssigkeiten, für die Neutronen- oder Röntgenstreuung benötigt wird, um die Dynamik in Raum und Zeit aufzulösen. Kolloide sind in diesem Sinne also große Atome, deren Wechselwirkung geschickt manipuliert werden kann, um Materialeigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern zu studieren. Insbesondere wurden Kolloide ausgiebig verwendet, um den Glasübergang zu studieren, also das Phänomen, dass Flüssigkeiten unter schneller Abkühlung oder Kompression zu Festkörpern werden, ohne zu kristallisieren. Trotz erheblichen wissenschaftlichen Bemühungen gibt es bisher kein umfassendes theoretisches Verständnis aller Facetten des Glasproblems. Das Ziel des Projekts ist es, ein besseres Verständnis der Glasübergangsphänomene zu erzielen, indem derartige kolloidale Suspensionen extremen Bedingungen ausgesetzt sind. Wir nutzen hierbei die Tatsache, dass Kolloide sich relativ einfach mittels Laserlicht beeinflussen lassen, wie eindrucksvoll in den nobelpreisgekrönten Experimenten zu optischen Pinzetten von Arthur Ashkin gezeigt wurde. Genauer gesagt, verwenden wir einen zweidimensionalen Aufbau, in anderen Worten eine Monolage, so dass die Kolloide sich nur in einer Ebene bewegen können. Dann benutzen wir zwei interferierende Laserstrahlen um ein Lichtfeld mit einer sinusartigen periodischen Modulation in der Intensität. Die Kolloide werden zu Regionen hoher Intensität hingezogen, jedoch verhindert die starke abstoßende Wechselwirkung der Teilchen untereinander, dass nur Bereiche hoher Intensität besetzt werden. Unser Aufbau erlaubt es, das System zu beeinflussen, indem die Dichte der kolloidalen Monolage, die Wellenlänge der periodischen Modulation, sowie die Intensität des Laserlichts verändert wird. I n unseren Laborexperimenten werden wir strukturelle Indikatoren, wie beispielsweise die Paarverteilungsfunktion messen im Wesentlichen die Wahrscheinlichkeit ein Teilchen in einem vorgegebenen Abstand zu einem anderen Teilchen zu finden. Weitere Messgrößen sind der Diffusionskoeffizient sowie die intermediäre Streufunktion, die den Transport in Raum und Zeit charakterisiert. Wir vergleichen unsere experimentellen Resultate mit neuartigen theoretischen Zugängen, indem wir bestehende erfolgreiche Theorien um die periodische Modulation des Laserlichts erweitern. Wir führen weiterhin Computersimulationen durch, in denen die Trajektorien der einzelnen Teilchen generiert werden, und vergleichen sowohl zu unseren theoretischen als auch experimentellen Resultaten.

Zusammenfassung: Kolloidale Monolagen in periodischen Laser-Feldern Kolloide sind kleine Teilchen von der Größe von 10 Nanometern bis mehreren Mikrometern. Suspensionen von Kolloiden weisen ähnliche Eigenschaften wie molekulare Flüssigkeiten auf und dienen als paradigmatische Modellsysteme in der Physik der kondensierten Materie. Die Bewegung der Teilchen kann direkt mit Lichtmikroskopie verfolgt werden im Gegensatz zu molekularen Flüssigkeiten, für die Neutronen- oder Röntgenstreuung benötigt wird, um die Dynamik in Raum und Zeit aufzulösen. Kolloide sind in diesem Sinne also "große Atome", deren Wechselwirkung geschickt manipuliert werden kann, um Materialeigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern zu studieren. Insbesondere wurden Kolloide ausgiebig verwendet, um den Glasübergang zu studieren, also das Phänomen, dass Flüssigkeiten unter schneller Abkühlung oder Kompression zu Festkörpern werden, ohne zu kristallisieren. Trotz erheblichen wissenschaftlichen Bemühungen gibt es bisher kein umfassendes theoretisches Verständnis aller Facetten des Glasproblems. Das Ziel des Projekts war es, ein besseres Verständnis der Glasübergangsphänomene zu erzielen, indem derartige kolloidale Suspensionen extremen Bedingungen ausgesetzt sind. Wir nutzen hierbei die Tatsache, dass Kolloide sich relativ einfach mittels Laserlicht beeinflussen lassen, wie eindrucksvoll in den nobelpreisgekrönten Experimenten zu "optischen Pinzetten" von Arthur Ashkin gezeigt wurde. Genauer gesagt, verwenden wir einen zweidimensionalen Aufbau, in anderen Worten eine Monolage, so dass die Kolloide sich nur in einer Ebene bewegen können. Dann benutzen wir zwei interferierende Laserstrahlen um ein Lichtfeld mit einer sinusartigen periodischen Modulation in der Intensität. Die Kolloide werden zu Regionen hoher Intensität hingezogen, jedoch verhindert die starke abstoßende Wechselwirkung der Teilchen untereinander, dass nur Bereiche hoher Intensität besetzt werden. Unser Aufbau erlaubt es, das System zu beeinflussen, indem die Dichte der kolloidalen Monolage, die Wellenlänge der periodischen Modulation, sowie die Intensität des Laserlichts verändert wird. In unseren Laborexperimenten wurden wir strukturelle Indikatoren, wie beispielsweise die Paarverteilungsfunktion gemessen - im Wesentlichen die Wahrscheinlichkeit ein Teilchen in einem vorgegebenen Abstand zu einem anderen Teilchen zu finden. Weitere Messgrößen sind der Diffusionskoeffizient sowie die intermediäre Streufunktion, die den Transport in Raum und Zeit charakterisiert. Wir haben unsere experimentellen Resultate mit neuartigen theoretischen Zugängen verglichen, indem wir bestehende erfolgreiche Theorien um die periodische Modulation des Laserlichts erweitern. Weiterhin haben wir Computersimulationen durchgeführt, in denen die Trajektorien der einzelnen Teilchen generiert werden, und haben diese sowohl mit unseren theoretischen als auch experimentellen Resultaten verglichen.