Dokument: Colloids in random potentials: Optical realization and characterization of rough laser light fields
| Titel: | Colloids in random potentials: Optical realization and characterization of rough laser light fields | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=38907 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20160712-084916-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Bewerunge, Jörg [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Egelhaaf, U. Stefan [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Raue Potentiallandschaften (rPEL) stellen ein vielseitiges Werkzeug der statistischen Physik dar, um komplexe Phänomene zu studieren, z.B. Diffusion in ungeordneten Medien, Glasübergänge und Protein-Faltung. Eine experimentelle Verwirklichung einer kontrollierbaren rPEL ist daher wünschenswert. In dieser Arbeit werden dazu das Design und die Konstruktion eines neuartigen optischen Aufbaus vorgestellt, der auf einem speziellen Diffusor basiert und zur Untersuchung kolloidaler Proben genutzt wird.
Wenn ein Laserstrahl auf einen Diffusor trift, wird ein zuffälliges Intensitäts-Flecken-Muster erzeugt. Kolloidale Teilchen, die diesem Flecken-Muster ausgesetzt werden, erfahren eine rPEL, deren lokalen Eigenschaften von der Lichtintensität und dem Teilchen-Volumen abhängen. Der optische Aufbau bietet die einzigartige Möglichkeit, die Korrelationslänge frei zu verändern und die Verteilung der Energiewerte der rPEL zu variieren. Im Vergleich zu etablierten Methoden liefert dieser Aufbau einen viel größeren Beobachtungsbereich und ermöglicht daher Untersuchungen mit signifikant besserer Statistik. Der Aufbau wurde dazu benutzt, eine rPEL zu erzeugen, deren Energiewerte nicht Gauß-verteilt sind. Weiterhin wurden die räumliche Anordnung und Dynamik kolloidaler Teilchen in Abhängigkeit von der Rauigkeit des Potentials, welche durch die Laserstärke verändert wird, und der Teilchenkonzentration systematisch untersucht. Der erste Aspekt wird durch die lokale Wahrscheinlichkeitsdichte der Teilchen, die unordnungsgemittelte Dichte-Korrelationsfunktion und den Edwards-Anderson-Ordnungsparameter charakterisiert, der die Korrelation der mittleren lokalen Dichte zwischen verschiedenen Realisierungen der Unordnung quantifiziert. Solche Korrelationsfunktionen konnten mit Hilfe des neuen Aufbaus erstmals experimentell bestimmt werden. Eine Analyse der Teilchenkonzentration wiederum zeigt, dass Kollisionen, die durch Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen hervorgerufen werden, die Wahrscheinlichkeit dafür erhöhen, dass gefangene Teilchen Energiebarrieren überwinden. Eine Erhöhung der Konzentration führt also zu einer Verringerung der Fallenstärke. Insbesondere wurde eine kritische Konzentration festgestellt, bei der Teilchen-Teilchen- und Teilchen-Potential-Wechselwirkungen einander ausgleichen. Daher werden eine zu- und wieder abnehmende Kurzzeitdiffusion und eine sehr heterogene Teilchen-Dynamik beobachtet.Random potential energy landscapes (rPELs) represent a facile and versatile tool of statistical physics to analyze various complex phenomena, e.g. diffusion in disordered media and biological cells as well as glass transitions and protein folding. A controlled experimental realization of rPELs is therefore highly desired. In this work, a novel optical set-up is designed, constructed and tested, based upon a specially designed diffuser. Furthermore, its application to the study of colloidal particles is presented. When laser light impinges on the diffuser, a random intensity speckle pattern is created. Colloidal particles exposed to this speckle pattern experience a rPEL whose local properties depend on the light intensity and the particle volume. In particular, this set-up offers the unique option to freely tune the correlation length and the distribution of energy values of the rPEL from exponential to Gaussian. Moreover, the new set-up offers a much larger field of view compared to established methods, allowing for studies with significantly improved statistics. The set-up has been used to induce a rPEL with a non-Gaussian distribution of energy values and systematically study the spatial arrangement and dynamics of colloidal particles as a function of the potential roughness, tuned by the laser power, and the particle concentration. The former is characterized by the local probability density of the particles, the disorder-averaged pair density correlation function and the Edwards-Anderson order parameter, which quantities the correlation of the mean local density among disorder realizations. Made possible by the new set-up, such a correlation function has been determined for the first time in experiments. Analysis of the particle concentration reveals that collisions caused by particle-particle interactions increase the probability of trapped particles to cross energy barriers. Hence, an increase in the concentration leads to a decrease of the trapping strength. In particular, a critical concentration has been found, at which particle-particle and particle-potential interactions are balanced. This results in a re-entrant behaviour of the short-term diffusion coefficient and strongly heterogeneous dynamics. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Physik der kondensierten Materie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 12.07.2016 | |||||||
| Dateien geändert am: | 12.07.2016 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 10.05.2016 | |||||||
| Datum der Promotion: | 04.07.2016 |
