Dissertations / Theses on the topic 'Physik des Nichtgleichgewichts'

Wir untersuchen die Dynamik von offenen Quantensystemen sowohl im Gleichgewicht als auch im Nichtgleichgewicht. Unser Fokus liegt dabei auf der quantenoptischen Dispersionswechselwirkung zwischen einem mikroskopischen Teilchen und einer komplexen elektromagnetischen Umgebung. Wir sind der Meinung, dass Langzeitkorrelationen in dem System essenziell zum Verständnis der Dynamik des Teilchens beitragen können. Unter Langzeitkorrelationen verstehen wir die Beiträge zur Autokorrelationsfunktion von Quantenoperatoren, die als ein inverses Potenzgesetz in der Verzögerungszeit skalieren. Das Einbeziehen von Langzeitkorrelationen in unser theoretisches Modell sichert die Selbstkonsistenz unserer Beschreibung und ermöglicht es uns, die Rückkopplung der Umgebung auf das Teilchen vollständig zu berücksichtigen. Darüber hinaus erlaubt es uns die Vorhersage von bisher übersehenen Effekten und Mechanismen, die das Verhalten von Dispersionskräften im Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht bestimmen. Unsere Beispiele reichen von der Wechselwirkungsentropie des magnetischen Casimir-Polder-Effekts, über den Einfluss von Materialeigenschaften und geometrischen Überlegungen auf experimentelle Aufbauten, bis hin zur Thermodynamik von Quantenreibung. Wir geben den Leser_innen außerdem eine Orientierungshilfe, wann und wie Langzeitkorrelationen in theoretische Modellbildungen einbezogen werden müssten und welche Auswirkungen im Zusammenhang mit quantenoptischen Dispersionskräften zu erwarten sind.
We explore the dynamics of open quantum systems in both equilibrium and nonequilibrium situations. Our focus lies on the quantum-optical dispersion interaction between a microscopic particle and a complex electromagnetic environment. We argue that long-time correlations in the system can be essential for understanding the dynamics of the particle. We define long-time correlations as those contributions to the autocorrelation function of quantum operators which scale as an inverse power law in the time delay. Incorporating long-time correlations into our theoretical model safeguards the self-consistency of our description and allows us to consider the full back-action of the environment on the particle. Moreover, it leads us to the prediction of previously overlooked effects and mechanisms determining dispersion forces in equilibrium and nonequilibrium. Our examples range from the interaction entropy of the magnetic Casimir-Polder effect, over the impact of material properties and geometric considerations for experimental setups, all the way down to the thermodynamics of quantum friction. We further provide the reader with a guideline when and how to include long-time correlations into theoretical models and what effects can be expected to emerge in the context of quantum-optical dispersion forces.

The asymptotic state of a quantum system, which is in contact with a heat bath, is strongly disturbed by a time-periodic driving in comparison to a time-independent system. In this thesis an extensive picture of the asymptotic state of time-periodic quantum systems is drawn by relating it to the structure of the corresponding classical phase space. To this end the occupation probabilities of the Floquet states are analyzed with respect to their semiclassical property of being either regular or chaotic. The regular Floquet states are occupied with exponential weights e^{-betaeff Ereg} similar to the canonical weights e^{-beta E} of time-independent systems. The regular energies Ereg are defined by the quantization of the time-periodic system, whose classical properties also determine the effective temperature 1/betaeff. In contrast, the chaotic Floquet states acquire almost equal probabilities, irrespective of their time-averaged energy. Beyond these semiclassical properties the existence of avoided crossings in the spectrum is an intrinsic quantum property of time-periodic systems. Avoided crossings can strongly influence the entire occupation distribution. As an impressive application a novel switching mechanism is proposed in a periodically driven double well potential coupled to a heat bath. By a weak variation of the driving amplitude its asymptotic state is switched from the ground state in one well to a state with higher average energy in the other well
Der asymptotische Zustand eines Quantensystems, das in Kontakt mit einem Wärmebad steht, wird durch einen zeitlich periodischen Antrieb gegenüber einem zeitunabhängigen System nachhaltig verändert. In dieser Arbeit wird ein umfassendes Bild über den asymptotischen Zustand zeitlich periodischer Quantensysteme entworfen, indem es diesen zur Struktur des zugehörigen klassischen Phasenraums in Beziehung setzt. Dazu werden die Besetzungswahrscheinlichkeiten der Floquet-Zustände hinsichtlich ihrer semiklassischen Eigenschaft analysiert, nach welcher sie entweder regulär oder chaotisch sind. Die regulären Floquet-Zustände sind mit exponentiellen Gewichten e^{-betaeff Ereg} ähnlich der kanonischen Verteilung e^{-beta E} zeitunabhängiger Systeme besetzt. Dabei sind die reguläre Energien Ereg durch die Quantisierung des Systems vorgegeben, dessen klassische Eigenschaften auch die effektive Temperatur 1/betaeff bestimmen. Die chaotischen Zustände dagegen haben fast einheitliche Besetzungswahrscheinlichkeiten, welche unabhängig von ihrer mittleren Energie sind. Über diese semiklassischen Eigenschaften hinaus ist das Auftreten von vermiedenen Kreuzungen im Spektrum eine intrinsisch quantenmechanische Eigenschaft zeitlich periodischer Systeme. Diese können die gesamte Besetzungsverteilung nachhaltig beeinflussen und finden eine eindrucksvolle Anwendung in Form eines neuartigen Schaltmechanismus in einem harmonisch modulierten Doppelmuldenpotential in Kontakt mit einem Wärmebad. Der asymptotische Zustand kann unter geringer Variation der Antriebsamplitude vom Grundzustand der einen Mulde in einen Zustand höherer mittlerer Energie in der anderen Mulde geschaltet werden

Ausgehend von einer kritischen Betrachtung der bekannten Meßverfahren zur Untersuchung von Halbleiteroberflächen wurde der Feldeffekt mit Sperrstrommessungen derart gekoppelt, dass gleichzeitig an dem Teil der Probe, der auf der Rückseite von einem in Sperr-Richtung vorgespannten pn-Übergang bedeckt ist, der Oberflächenleitwert und der Sperrstrom des pn-Übergangs gemessen werden. Der Sinn dieser Kopplung ist es, die Termanalyse gegenüber den bekannten Methoden zu verbessern. Die vorgenommene Erweiterung der Feldeffektuntersuchungen auf den stationären Nichtgleichgewichtzustand ermöglicht die direkte Messung der Aufspaltung des Ferminiveaus und damit die Bestimmung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit allein durch Oberflächenleitwertmessungen. Auch mit der Erweiterung der Sperrstromuntersuchungen, durch Messung der Sperrstromänderung bei Belichtung, ist es möglich, die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zu messen. Mit der entwickelten Apparatur wurde durch gleichzeitige Messung der Sperrstromänderungen und des Oberflächenleitwertes eine Verbreiterung der Sperrstromkurven verbunden mit einer Verschiebung des Sperrstrommaximums gegen das Leitwertminimum an CP-4-geätzten Germanium-Oberflächen beobachtet. Die Deutung dieser Erscheinung ermöglicht eine eindeutige Bestimmung des Energieniveaus des Rekombinationsterms und weist darauf hin, dass die Übergangswahrscheinlichkeiten des Rekombinationsterms keine Daten der Terme allein, sondern Daten der Terme und des Zustands der Oberfläche sind. Für die untersuchten, in CP-4-geätzten Oberflächen wurde die bei den Channeluntersuchungen gemachte Voraussetzung bestätigt, dass für die Terme in der oberen Hälfte der verbotenen Zone Cp/Cn > e2(Et – Ei)/kT gilt. Mit der entwickelten Methode zur Messung des Oberflächenleitwertes mit einem hochfrequenten Wechselstrom werden Verwehungseffekte der Ladungsträger vermieden. Durch die Parallelschaltung des ohmschen und des kapazitiven Leitwertes zwischen Inversionsschicht und Volumen werden weiterhin die Schwierigkeiten der Kontaktierung der Inversionsschicht umgangen. Einen solchen Kontakt herzustellen, ist besonders schwierig bei Halbleitern mit niedriger Intrinsic-Konzentration. Bei Silizium wurde diese Methode mit Erfolg angewendet.
Starting with a critical consideration of the well-established measurement procedures for the investigation of semiconductor surfaces, the field effect and the measurement of the reverse current have were linked in such a manner that the surface conductance and the reverse current could be measured simultaneously at that part of the specimen which was covered on the back side by a biased pn-junction. The use of this link-up is the improvement of the analysis of surface terms in comparison with the known methods. The implemented extension of the field effect measurements to the stationary non-equilibrium state allows the direct measurement of the split up of the Fermi level and in this way the determination of the surface recombination velocity by measurements of the surface conductance solely. Also with an extension of the measurements of the reverse current, by measuring the change in reverse current due to illumination, it is possible to determine the surface recombination velocity. By a simultaneous measurement of the changes in reverse current and the surface conductance with the developed apparatus it could be observed a broadening of the reverse current curve in conjunction with a shift of the reverse current maximum versus the conductance minimum on germanium surfaces etched with CP-4.The interpretation of this effect allows an unique determination of the energy level of the recombination term and points to the fact that the transient probabilities of the recombination term are not data of the term itself but data of the term and the state of the surface. By the investigations of the surfaces etched in CP-4, the requirements have been confirmed which were made in channel investigations that for the terms in the upper half of the forbidden zone it is Cp/Cn >e2(Et – Ei)/kT. With the developed method for the measurement of the surface conductance using a high frequency alternating current sweep out effects of the charge carriers can be avoided. Furthermore, by the shunt circuit of the ohmic and the capacitive conductance between the inversion layer and the bulk the difficulties in contacting the inversion layer will be avoided. The production of such a contact is especially difficult for semiconductors with a low intrinsic concentration. This method has been successfully applied to silicon.

In the present work, we discuss two subjects related to the nonequilibrium dynamics of polymers or biological filaments adsorbed to two-dimensional substrates.

The first part is dedicated to thermally activated dynamics of polymers on structured substrates in the presence or absence of a driving force. The structured substrate is represented by double-well or periodic potentials. We consider both homogeneous and point driving forces. Point-like driving forces can be realized in single molecule manipulation by atomic force microscopy tips. Uniform driving forces can be generated by hydrodynamic flow or by electric fields for charged polymers.

In the second part, we consider collective filament motion in motility assays for motor proteins, where filaments glide over a motor-coated substrate. The model for the simulation of the filament dynamics contains interactive deformable filaments that move under the influence of forces from molecular motors and thermal noise. Motor tails are attached to the substrate and modeled as flexible polymers (entropic springs), motor heads perform a directed walk with a given force-velocity relation. We study the collective filament dynamics and pattern formation as a function of the motor and filament density, the force-velocity characteristics, the detachment rate of motor proteins and the filament interaction. In particular, the formation and statistics of filament patterns such as nematic ordering due to motor activity or clusters due to blocking effects are investigated. Our results are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed.
In der vorliegenden Arbeit behandeln wir zwei Probleme aus dem Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polymeren oder biologischen Filamenten, die an zweidimensionale Substrate adsorbieren.

Der erste Teil befasst sich mit der thermisch aktivierten Dynamik von Polymeren auf strukturierten Substraten in An- oder Abwesenheit einer treibenden Kraft. Das strukturierte Substrat wird durch Doppelmulden- oder periodische Potentiale dargestellt. Wir betrachten sowohl homogene treibende Kräfte als auch Punktkräfte. Punktkräfte können bei der Manipulation einzelner Moleküle mit die Spitze eines Rasterkraftmikroskops realisiert werden. Homogene Kräfte können durch einen hydrodynamischen Fluss oder ein elektrisches Feld im Falle geladener Polymere erzeugt werden.

Im zweiten Teil betrachten wir die kollektive Bewegung von Filamenten in Motility-Assays, in denen Filamente über ein mit molekularen Motoren überzogenes Substrat gleiten. Das Modell zur Simulation der Filamentdynamik beinhaltet wechselwirkende, deformierbare Filamente, die sich unter dem Einfluss von Kräften, die durch molekulare Motoren erzeugt werden, sowie thermischem Rauschen bewegen. Die Schaftdomänen der Motoren sind am Substrat angeheftet und werden als flexible Polymere (entropische Federn) modelliert. Die Kopfregionen der Motoren vollführen eine gerichtete Schrittbewegung mit einer gegebenen Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung. Wir untersuchen die kollektive Filamentdynamik und die Ausbildung von Mustern als Funktion der Motor- und der Filamentdichte, der Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik, der Ablöserate der Motorproteine und der Filamentwechselwirkung. Insbesondere wird die Bildung und die Statistik der Filamentmuster, wie etwa die nematische Anordnung aufgrund der Motoraktivität oder die Clusterbildung aufgrund von Blockadeeffekten, untersucht. Unsere Ergebnisse sind experimentell zugänglich und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert.

A fundamental challenge is to understand nonequilibrium statistical mechanics starting from microscopic chaos in the equations of motion of a many-particle system. In this thesis we summarize recent theoretical advances along these lines. We focus on two different approaches to nonequilibrium transport: One considers Hamiltonian dynamical systems under nonequilibrium boundary conditions, another one suggests a non-Hamiltonian approach to nonequilibrium situations created by external electric fields and by temperature or velocity gradients. A surprising result related to the former approach is that in simple low-dimensional periodic models the deterministic transport coefficients are typically fractal functions of control parameters. These fractal transport coefficients yield the first central theme of this thesis. We exemplify this phenomenon by deterministic diffusion in a simple chaotic map. We then construct an arsenal of analytical and numerical methods for computing further transport coefficients such as electrical conductivities andchemical reaction rates. These methods are applied to hierarchies of chaotic dynamical systems that are successively getting more complex, starting from abstract one-dimensional maps generalizing a simple random walk on the line up to particle billiards that should be directly accessible in experiments. In all cases, the resulting transport coefficients turn out to be either strictly fractal, or at least to be profoundly irregular. The impact of random perturbations on these quantities is also investigated. We furthermore provide some access roads towards a physical understanding of these fractalities. The second central theme is formed by a critical assessment of the non-Hamiltonian approach to nonequilibrium transport. Here we consider situations where the nonequilibrium constraints pump energy into a system, hence there must be some thermal reservoir that prevents the system from heating up. For this purpose a deterministic and time-reversible modeling of thermal reservoirs was proposed in form of Gaussian and Nose-Hoover thermostats. This approach yielded simple relations between fundamental quantities of nonequilibrium statistical mechanics and of dynamical systems theory. Our goal is to critically assesses the universality of these results. As a vehicle of demonstration we employ the driven periodic Lorentz gas, a toy model for the classical dynamics of an electron in a metal under application of an electric field. Applying different types of thermal reservoirs to this system we compare the resulting nonequilibrium steady states with each other. Along the same lines we discuss an interacting many-particle system under shear and heat. Finally, we outline an unexpected relationship between deterministic thermostats and active Brownian particles modeling biophysical cell motility.

A fundamental challenge is to understand nonequilibrium statistical mechanics starting from microscopic chaos in the equations of motion of a many-particle system. In this thesis we summarize recent theoretical advances along these lines. We focus on two different approaches to nonequilibrium transport: One considers Hamiltonian dynamical systems under nonequilibrium boundary conditions, another one suggests a non-Hamiltonian approach to nonequilibrium situations created by external electric fields and by temperature or velocity gradients. A surprising result related to the former approach is that in simple low-dimensional periodic models the deterministic transport coefficients are typically fractal functions of control parameters. These fractal transport coefficients yield the first central theme of this thesis. We exemplify this phenomenon by deterministic diffusion in a simple chaotic map. We then construct an arsenal of analytical and numerical methods for computing further transport coefficients such as electrical conductivities andchemical reaction rates. These methods are applied to hierarchies of chaotic dynamical systems that are successively getting more complex, starting from abstract one-dimensional maps generalizing a simple random walk on the line up to particle billiards that should be directly accessible in experiments. In all cases, the resulting transport coefficients turn out to be either strictly fractal, or at least to be profoundly irregular. The impact of random perturbations on these quantities is also investigated. We furthermore provide some access roads towards a physical understanding of these fractalities. The second central theme is formed by a critical assessment of the non-Hamiltonian approach to nonequilibrium transport. Here we consider situations where the nonequilibrium constraints pump energy into a system, hence there must be some thermal reservoir that prevents the system from heating up. For this purpose a deterministic and time-reversible modeling of thermal reservoirs was proposed in form of Gaussian and Nose-Hoover thermostats. This approach yielded simple relations between fundamental quantities of nonequilibrium statistical mechanics and of dynamical systems theory. Our goal is to critically assesses the universality of these results. As a vehicle of demonstration we employ the driven periodic Lorentz gas, a toy model for the classical dynamics of an electron in a metal under application of an electric field. Applying different types of thermal reservoirs to this system we compare the resulting nonequilibrium steady states with each other. Along the same lines we discuss an interacting many-particle system under shear and heat. Finally, we outline an unexpected relationship between deterministic thermostats and active Brownian particles modeling biophysical cell motility.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der Nichtgleichgewichts-Dispersionskräfte. Der Fokus liegt auf der kontroversen Casimir- bzw. Quantenreibung. Sie tritt auf, wenn sich zwei elektrisch neutrale Körper relativ zueinander bewegen. Vermittelt wird diese kontaktlose Reibungskraft über fluktuierende elektromagnetische (Quanten-) Felder und ist somit der Kategorie der fluktuationsinduzierten Phänome zuzuordnen, deren bekannte Beispiele die Van-der-Waals-Kraft und der Casimir-Effekt sind. Im Speziellen wurde die Situation eines mikroskopischen Objektes, welches sich mit einer festgelegten Geschwindigkeit und Höhe über eine makroskopische und flache Oberfläche beweget, untersucht. Um einen Zugang in das Themenfeld zu erlangen, wird eine kurze Einleitung in die Theorie der linearen Antwort und der Dynamik offener Systeme gegeben. Des Weiteren, werden unterschiedliche Modelle zur Beschreibung des mikroskopischen Objektes eingeführt und verschiedene Konfigurationen und Modelle bezüglich der makroskopischen Oberfläche berücksichtigt. Neben einem exakten, wenn auch komplexen, Integralausdruck werden diverse asymptotische Ausdrücke für verschiedene relevante Grenzfälle der kontaktlosen Reibung hergeleitet. Darüber hinaus, um die Asymptoten mit der exakten Lösung vergleichen zu können, wurde eine numerisch Auswertungsroutine des exakten Ausdrucks entwickelt und implementiert. Durch die Nutzung einer vollen Nichtgleichgewichtbeschreibung und das Einbeziehen sowohl der Rückwirkung des elektromagnetischen Feldes auf die Dynamik des mikroskopischen Objektes, als auch dessen Rotationsfreiheitsgrade, werden bestehende theoretische Beschreibungen erweitert. Abschließend wird ein Ausblick auf experimentelle Messungen der kontaktlosen Reibung gegeben.
The present thesis addresses the topic of nonequilibrium dispersion forces. The focus lies on the controversial Casimir or quantum friction, which occurs when two electrically neutral bodies move at a relative velocity with respect to each other. The noncontact friction force is mediated by the fluctuations of the (quantum) electromagnetic field and therefore belongs to the category of fluctuation-induced phenomena, whose prominent examples are the van der Waals force and the Casimir effect. Especially, the setup of a microscopic object moving at a fixed velocity and height above a flat macroscopic surface is investigated. To access this topic, a brief introduction into linear response and open system dynamics is given. Moreover, different models for the description of the microscopic object are introduced and various setups and models of the flat macroscopic surface are considered. Besides an exact but rather involved integral expression, several asymptotic expressions of the noncontact friction for different relevant limits are derived. Furthermore, in order to compare the asymptotic with the exact expression, a numerical approach for its evaluation was developed and implemented. Using a full nonequilibrium approach, which includes the backaction of the electromagnetic field onto the microscopic object’s dynamics, as well as its rotational degrees, existing theoretical descriptions are extended. Eventually, an outlook towards experimental measurements of the noncontact friction is given.

In processing and data storage mainly ferromagnetic (FM) materials are being used. Approaching physical limits, new concepts have to be found for faster, smaller switches, for higher data densities and more energy efficiency. Some of the discussed new concepts involve the material classes of correlated oxides and materials with antiferromagnetic coupling. Their applicability depends critically on their switching behavior, i.e., how fast and how energy efficient material properties can be manipulated. This thesis presents investigations of ultrafast non-equilibrium phase transitions on such new materials. In transition metal oxides (TMOs) the coupling of different degrees of freedom and resulting low energy excitation spectrum often result in spectacular changes of macroscopic properties (colossal magneto resistance, superconductivity, metal-to-insulator transitions) often accompanied by nanoscale order of spins, charges, orbital occupation and by lattice distortions, which make these material attractive. Magnetite served as a prototype for functional TMOs showing a metal-to-insulator-transition (MIT) at T = 123 K. By probing the charge and orbital order as well as the structure after an optical excitation we found that the electronic order and the structural distortion, characteristics of the insulating phase in thermal equilibrium, are destroyed within the experimental resolution of 300 fs. The MIT itself occurs on a 1.5 ps timescale. It shows that MITs in functional materials are several thousand times faster than switching processes in semiconductors. Recently ferrimagnetic and antiferromagnetic (AFM) materials have become interesting. It was shown in ferrimagnetic GdFeCo, that the transfer of angular momentum between two opposed FM subsystems with different time constants leads to a switching of the magnetization after laser pulse excitation. In addition it was theoretically predicted that demagnetization dynamics in AFM should occur faster than in FM materials as no net angular momentum has to be transferred out of the spin system. We investigated two different AFM materials in order to learn more about their ultrafast dynamics. In Ho, a metallic AFM below T ≈ 130 K, we found that the AFM Ho can not only be faster but also ten times more energy efficiently destroyed as order in FM comparable metals. In EuTe, an AFM semiconductor below T ≈ 10 K, we compared the loss of magnetization and laser-induced structural distortion in one and the same experiment. Our experiment shows that they are effectively disentangled. An exception is an ultrafast release of lattice dynamics, which we assign to the release of magnetostriction. The results presented here were obtained with time-resolved resonant soft x-ray diffraction at the Femtoslicing source of the Helmholtz-Zentrum Berlin and at the free-electron laser in Stanford (LCLS). In addition the development and setup of a new UHV-diffractometer for these experiments will be reported.
In der Datenspeichertechnologie werden bisher hauptsächlich ferromagnetische Materialien eingesetzt. Da mit diesen aber physikalische Grenzen erreicht werden, werden neue Konzepte gesucht, um schnellere und kleinere Schalter, größere Datendichten und eine höherere Energieeffizienz zu erzeugen. Unter den diskutierten Materialklassen finden sich komplexen Übergangsmetalloxide und Materialien mit antiferromagnetischer Kopplung. Die Anwendbarkeit solcher Materialien hängt stark davon ab, wie schnell sich deren Eigenschaften verändern lassen und wieviel Energie dafür eingesetzt werden muss. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen, Nicht-Gleichgewicht-Phasenübergängen genau in solchen Materialien. In Übergangsmetalloxiden führt die enge Kopplung zwischen den unterschiedlichen Freiheitsgraden zu einem effektiven niederenergetischen Anregungsspektrum. Diese Anregungen sind oft verknüpft mit spektakulären makroskopischen Eigenschaften, wie z.B. dem kolossalen Magnetowiderstand, Hochtemperatur-Supraleitung, Metall- Isolator-Übergang, die oft von nanoskaliger Ordnung von Spins, Ladungen, orbitaler Besetzung sowie Gitterverzerrungen begleitet sind. Dadurch werden diese Materialien interessant für Anwendbarkeit. Magnetit, ein Prototyp eines solchen funktionalen Materials zeigt einen Metall-Isolator-Übergang bei T = 123 K. Untersucht man die Ladungs- und orbitale Ordnung sowie die Struktur nach einer optischen Anregung, so findet man, dass die elektronische Struktur und Gitterverzerrung, die kennzeichnend für die Tieftemperaturphase sind, innerhalb der Zeitauflösung des Experiments von 300 fs zerstört wird. Der eigentliche Metall-Isolator-Übergang zeigt sich erst nach 1.5 ps. Die Ergebnisse zeigen, dass MITs in funktionalen Materialien bis zu tausend Mal schneller geschaltet werden können als in vorhandenen Halbleiter-Schaltern. Seit kurzem rücken auch ferrimagnetische und antiferromagnetische Materialen in den Fokus des Interesses. Es wurde im Ferrimagnet GdFeCo gezeigt, dass der Transfer von Drehimpuls zwischen zwei entgegengesetzten Subsystemen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten zu einem Umschalten der Magnetisierung führt. Zudem wurde vorhergesagt, dass Demagnetisierungsdynamiken in antiferromagnetischen Materialien schneller ablaufen soll als in ferromagnetischen, da kein Drehimpuls aus dem Spinsystem abgeführt werden muss. Damit wir mehr über antiferromagnetische Dynamik erfahren haben wir zwei unterschiedliche Antiferromagneten untersucht, um sie mit den bekannten FM zu vergleichen. Im metallischen AFM Holmium fanden wir, dass die magnetische Ordnung schneller und zehnmal energieeffizienter zerstört werden kann als in vergleichbaren FM Metallen. In Europium-Tellurid, einem antiferromagnetischem Halbleiter, haben wir den Zerfall der magnetischen Ordnung im Hinblick auf Wechselwirkungen mit der Struktur untersucht. Wir fanden auf kurzen Zeitskalen eine eher entkoppelte Dynamik. Eine Ausnahme ist ein schneller Beitrag zur Gitterdynamik, den wir mit dem Wegfall von Magnetostriktion erklären. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden mit Hilfe zeitaufgelöster resonanter weicher Röntgenbeugung an der Femtoslicing Strahlungsquelle des Helmholtz-Zentrums Berlin und am freien Elektronenlaser LCLS gemessen. Zusätzlich wird über die Entwicklung und den Bau eines UHV-Diffraktometers für diese Experimente berichtet.

In der vorliegenden Arbeit wird die Dynamik geordneter modulierter Phasen außerhalb des thermischen Gleichgewichts untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf einem zweidimensionalen, streifenbildenden System, genannt Modell B mit Coulomb-Wechselwirkung, welches aus einem geordneten Anfangszustand unter dem Einfluß eines Rauschterms relaxiert. Aus den mittels numerischer Simulationen gewonnenen Daten wird die lokale Orientierung der Streifen extrahiert und deren raum-zeitliche Korrelationsfunktionen berechnet. Wir beobachten eine langsame Dynamik und Alterungseffekte in der Zwei-Zeit-Autokorrelationsfunktion, welche einer Skalenform folgt, die aus kritischen Systemen bekannt ist. Dies geht einher mit dem Wachstum einer räumlichen Korrelationslänge senkrecht zu den Streifen. Zu sehr späten Zeiten klingt die zugehörige räumliche Korrelationsfunktion mit einem Potenzgesetz ab. Weiterhin wird der Einfluß der Systemgröße und verschiedener Seitenverhältnisse auf die Dynamik des Orientierungsfeldes studiert, wobei ein Wachstumsprozeß parallel zur Ausrichtung der Streifen identifiziert wird. Es zeigt sich, daß dieser Prozeß für die Nichtgleichgewichtsdynamik entscheidend ist. Zwei weitere Modelle für modulierte Phasen werden in ähnlicher Weise untersucht. Die Swift-Hohenberg-Gleichung in der Variante mit erhaltenem sowie nicht erhaltenem Ordnungsparameter zeigt ebenfalls Alterungseffekte in der Dynamik der Streifenorientierung. In einem System, welches zweidimensionale hexagonale Muster bildet, werden Alterungseffekte in der Autokorrelationsfunktion der Verschiebung beobachtet. Jedoch sättigt die zugehörige räumliche Korrelationslänge bei einem endlichen Wert, was auf eine Unterbrechung der Alterung hindeutet.

The theory of Brownian motion is a cornerstone of modern physics. In this thesis, we introduce a nonequilibrium extension to this theory, namely an effective Markovian theory of the Brownian motion of a heated nanoparticle. This phenomenon belongs to the class of nonequilibrium steady states (NESS) and is characterized by spatially inhomogeneous temperature and viscosity fields extending in the solvent surrounding the nanoparticle. The first chapter provides a pedagogic introduction to the subject and a concise summary of our main results and summarizes their implications for future developments and innovative applications. The derivation of our main results is based on the theory of fluctuating hydrodynamics, which we introduce and extend to NESS conditions, in the second chapter. We derive the effective temperature and the effective friction coefficient for the generalized Langevin equation describing the Brownian motion of a heated nanoparticle. As major results, we find that these parameters obey a generalized Stokes–Einstein relation, and that, to first order in the temperature increment of the particle, the effective temperature is given in terms of a set of universal numbers. In chapters three and four, these basic results are made explicit for various realizations of hot Brownian motion. We show in detail, that different degrees of freedom are governed by distinct effective parameters, and we calculate these for the rotational and translational motion of heated nanobeads and nanorods. Whenever possible, analytic results are provided, and numerically accurate approximation methods are devised otherwise. To test and validate all our theoretical predictions, we present large-scale molecular dynamics simulations of a Lennard-Jones system, in chapter five. These implement a state-of-the-art GPU-powered parallel algorithm, contributed by D. Chakraborty. Further support for our theory comes from recent experimental observations of gold nanobeads and nanorods made in the the groups of F. Cichos and M. Orrit. We introduce the theoretical concept of PhoCS, an innovative technique which puts the selective heating of nanoscopic tracer particles to good use. We conclude in chapter six with some preliminary results about the self-phoretic motion of so-called Janus particles. These two-faced hybrids with a hotter and a cooler side perform a persistent random walk with the persistence only limited by their hot rotational Brownian motion. Such particles could act as versatile laser-controlled nanotransporters or nanomachines, to mention just the most obvious future nanotechnological applications of hot Brownian motion.

The theory of Brownian motion is a cornerstone of modern physics. In this thesis, we introduce a nonequilibrium extension to this theory, namely an effective Markovian theory of the Brownian motion of a heated nanoparticle. This phenomenon belongs to the class of nonequilibrium steady states (NESS) and is characterized by spatially inhomogeneous temperature and viscosity fields extending in the solvent surrounding the nanoparticle. The first chapter provides a pedagogic introduction to the subject and a concise summary of our main results and summarizes their implications for future developments and innovative applications. The derivation of our main results is based on the theory of fluctuating hydrodynamics, which we introduce and extend to NESS conditions, in the second chapter. We derive the effective temperature and the effective friction coefficient for the generalized Langevin equation describing the Brownian motion of a heated nanoparticle. As major results, we find that these parameters obey a generalized Stokes–Einstein relation, and that, to first order in the temperature increment of the particle, the effective temperature is given in terms of a set of universal numbers. In chapters three and four, these basic results are made explicit for various realizations of hot Brownian motion. We show in detail, that different degrees of freedom are governed by distinct effective parameters, and we calculate these for the rotational and translational motion of heated nanobeads and nanorods. Whenever possible, analytic results are provided, and numerically accurate approximation methods are devised otherwise. To test and validate all our theoretical predictions, we present large-scale molecular dynamics simulations of a Lennard-Jones system, in chapter five. These implement a state-of-the-art GPU-powered parallel algorithm, contributed by D. Chakraborty. Further support for our theory comes from recent experimental observations of gold nanobeads and nanorods made in the the groups of F. Cichos and M. Orrit. We introduce the theoretical concept of PhoCS, an innovative technique which puts the selective heating of nanoscopic tracer particles to good use. We conclude in chapter six with some preliminary results about the self-phoretic motion of so-called Janus particles. These two-faced hybrids with a hotter and a cooler side perform a persistent random walk with the persistence only limited by their hot rotational Brownian motion. Such particles could act as versatile laser-controlled nanotransporters or nanomachines, to mention just the most obvious future nanotechnological applications of hot Brownian motion.:1 Introduction and Overview 2 Theory of Hot Brownian Motion 3 Various Realizations of Hot Brownian Motion 4 Toy Model and Numerical Methods 5 From Experiments and Simulations to Applications 6 Conclusion and Outlook