Emergentes Verhalten von rotierender aktiver Materie

Synchronisation ist ein allgegenwärtiges Phänomen, das sowohl für lebende als auch für künstliche Systeme relevant ist. Dabei handelt es sich um die Anpassung von Rythmen schwingender Objekte aufgrund schwacher Wechselwirkungen. Synchronisation ist in der Natur und in der Technik weit verbreitet, vom Rhythmus des Applauses über das Feuern von Neuronen bis hin zur Quantenmechanik des gekoppelten Josephson-Kontakts. Dabei ist zu beachten, dass es sich bei den schwingenden Objekten um eigenständige (aktive) Objekte handeln muss, die eine Energiequelle in eine schwingende Bewegung umwandeln. Da es sich folglich bei Resonanz und erzwungenen Schwingungen nicht um Synchronisation handelt, werden sie hier nicht behandelt. Auf der Mikroskala, einer Skala, die von Rauschen dominiert wird, ist die Koordination unterschiedlicher Komponenten schwierig und erfordert ein feines Gleichgewicht zwischen Interaktionen und Rückkopplungen. Spontane Synchronisation ist jedoch in der Natur allgegenwärtig und für das Leben unerlässlich. Sie spielt beispielsweise eine wesentliche Rolle für das Bewegungsvermögen von Mikroorganismen, den Nährstofftransport und die Beseitigung von Krankheitserregern aus den Atemwegen von Säugetieren. Praktisch gesehen ist die Synchronisation eine robuste Methode, mit der die mikroskopische Dynamik belebter Komponenten über mehrere Längenskalen hinweg fortgesetzt wird, um eine emergente Dynamik auf der Makroebene zu erzeugen. Trotz ihrer Allgegenwärtigkeit ist es nach wie vor sehr herausfordernd, theoretische Modelle der Synchronisation zu testen. Es mangelt an geeigneten Modellsystemen, bei denen alle relevanten mikroskopischen Parameter experimentell kontrolliert werden können. Das vorliegende Projektvorhaben ist experimentell orientiert und nutzt die Werkzeuge der aktiven Materie, um drei einzigartige experimentelle Systeme zu realisieren. Diese sollen als Modellplattformen dienen, um die Synchronisation von verrauschten Oszillatoren zu untersuchen, die durch physikalische Wechselwirkungen gekoppelt sind. Die unterschiedlichen physikalischen Kopplungen zwischen den Systemen sowie die einzigartigen Möglichkeiten, jedes System zu kontrollieren, sind ein Vorteil unseres Ansatzes, der den universellen Charakter der Synchronisation umfassend beleuchtet. Die vorgeschlagenen experimentellen Systeme werden es ermöglichen, Modelle der Synchronisation quantitativ zu testen und die raumzeitliche kollektive Dynamik zu untersuchen. Im weiteren Sinne werden unsere Ergebnisse aufzeigen, wie die räumliche Kontrolle von Aktivität und Frustration die Dynamik eines Systems in bestimmten räumlichen Anordnungen grundlegend steuern kann. Die Orchestrierung mikroskopischer Oszillato ren wird letztlich einen Bauplan dafür liefern, synchronisierte Materie zu gestalten und zu kontrollieren, was den Transport von Informationen und Materie über weite Strecken ermöglicht.