Theoretische Physik: Masterarbeit zur Selbstdiffusion von Teilchen ausgezeichnet

In seiner Masterarbeit zum Thema „Diffusion under the Effect of Lorentz Force“ auf dem Gebiet der theoretischen Physik präsentierte Student Erik Kalz der Fachwelt ein bisher unentdecktes Phänomen: er zeigt darin, dass in ungerade-diffundierenden  (engl. odd-diffusive) Systemen, Teilchenkollisionen überraschenderweise die Selbstdiffusion von Teilchen verbessern können. Eine Entdeckung mit weitreichenden theoretischen, experimentellen und materialwissenschaftlichen Konsequenzen, für die seine Arbeit in der Serie „BestMasters“ des Springer-Verlags sowie als „Editors Suggestion“ im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ ausgezeichnet wurde.

Physik-Student Erik Kalz fertigte seine Masterarbeit in der Arbeitsgruppe von Dr. Abhinav  Sharma am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden unter der Leitung von Prof. Dr. Jens-Uwe Sommer an. Einer der Schwerpunkte der Arbeitsgruppe sind sogenannte odd-diffusive systems (im Deutschen „ungerade-diffundierende Systeme“). Erik beschäftige sich dabei mit der Frage, wie Teilchen in diesen Systemen miteinander wechselwirken. Das theoretische Verständnis dieser Wechselwirkung ist insbesondere für Beschreibung von Transportprozessen, zum Beispiel in der biologischen Physik, von Bedeutung. Als ein zentrales Konzept untersuchte Erik dabei die Selbstdiffusion von Teilchen, eine statistische Größe, die Auskunft über individuelles Verhalten in Systemen vieler vergleichbarer Teilchen gibt. „Eigentlich erwarteten wir, dass die Selbstdiffusion mit der Zunahme von Teilchenwechselwirkungen abnimmt, ein intuitiv verständliches Resultat, denn mit Erhöhung der Dichte und damit der Wechselwirkungen blockieren sich die Teilchen gegenseitig stärker“, erklärt der junge Physiker.

© Erik Kalz

Jedoch konnte er zeigen, dass die Teilchen in odd-diffusive Systemen ein gegenteiliges Verhalten aufwiesen: demnach können Teilchenkollisionen dazu führen, dass die Selbstdiffusion verstärkt wird. In diesen Systemen wird die Bewegung der Teilchen aufgrund eines inhärenten Krümmungseffekts durch Kollisionen erleichtert, anstatt behindert, was zu einem gegenseitigen Umeinander-Rollen führt. Dieses kontraintuitive Verhalten hat Erik Kalz im archetypischen odd-diffusive System von Brownschen Teilchen unter dem Einfluss von Lorentz-Kraft demonstriert.  „Die Erklärung des Effekts hat tiefgreifend mit der tensoriellen Natur der Diffusion, im Speziellen den oddness-Komponenten des Diffusionstensors in diesen Systemen zu tun. Statistisch gesehen führt eine Teilchenkollision zu einem mutual rolling (im Deutschen etwa: „gegenseitigem Rollen“) der Teilchen, im Gegensatz zu einem gegenseitigen Blockieren, wie in normal-diffundierenden Systemen“, erklärt der Student und fährt fort: „Die Entdeckung hat weitreichende Konsequenzen in Theorie, Praxis oder Materialwissenschaft. Als Funktion eines einstellbaren Systemparameters ändern sich dynamische Transportgrößen in Bereiche, die bisher häufig für unphysikalisch gehalten wurden.“ Mittlerweile hat Erik Kalz ein Promotionsstudium an der Universität Potsdam aufgenommen.

Die studentische Arbeit erfuhr in der Fachwelt viel Aufmerksamkeit. Es kam zu einer Kollaboration mit Professor Hartmut Löwen von der Heinrich-Heine Universität in Düsseldorf. Im Zuge dieser Zusammenarbeit wurde die theoretische Vorhersage durch Simulationen bestätigt, eine Arbeit zu der insbesondere auch die Doktoranden von Dr. Sharma, Hidde Vuijk und Iman Abdoli beigetragen haben. Außerdem wurden die Ergebnisse in einer Publikation im renommierten Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht, und sogar mit einer Editors Suggestion versehen. Des Weiteren wurde die Masterarbeit von Erik Kalz als eine unter Zehntausenden für die Serie BestMasters des Springer-Verlags ausgewählt, in der 30 bis 40 Masterarbeiten auf den Gebieten Naturwissenschaften, Psychologie, Technik und Wirtschaftswissenschaften veröffentlicht werden, die an renommierten Hochschulen in Deutschland, Österreich und der Schweiz entstanden sind.

Originalpublikation:

Kalz, E., Vuijk, H. D., Abdoli, I., Sommer, J. U., Löwen, H. & Sharma, A. (2022). Collisions enhance self-diffusion in odd-diffusive systems. Physical Review Letters, 129(9), 090601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.090601

Kalz, E. (2022). Diffusion Under the Effect of Lorentz Force. Springer Nature. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-658-39518-6

Kontakt:
Erik Kalz
Institut für Physik und Astronomie
Universität Potsdam
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