Phasenumwandlungen und Quanteneffekte in Modell-Kolloiden und Nanostrukturen. Peter Nielaba Universität Konstanz

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1 Phasenumwandlungen und Quanteneffekte in Modell-Kolloiden und Nanostrukturen Peter Nielaba Universität Konstanz

2

3 1 nano-meter = 1/ m In a Europe of the size of a water droplet humans have the size of a nano-meter

4 Observation/Experiment few particles Example: solar system Structures and growth at surfaces very many particles Example: heat capacity of solid 6 C v / Nk B 4 r p! dr!( r) = ± +! 0 m ) 2 r0 2 2 ' p $! r % E ( V ( r) ( 2 " m & 2mr # 2 0 Theory Experiment T/Θ 1 Kepler-ellipses Simulation Theory Debye-model of solids

5 Das Universum im Computer / LS Nielaba Numerisch exakte Behandlung komplexer Systeme Überprüfung analytischer Näherungen Voraussagen fürs Experiment Vielteilchensysteme Quantenphänomene Magnetismus Materialien für die Zukunft Nano-Bauelemente Neue Speichermedien Struktur-Änderungen durch äußere Felder Nachbarwissenschaften: Mathematik (Modellbildung, Methoden), Informatik, Chemie (Moleküle), Biologie (Membran), Finanz-Physik ( )

6 Vortrag: Modellkolloide: Phasenumwandlungen Quanteneffekte Auswirkung externer Felder Nanostrukturen: Atomare Drähte Cluster Magnetische Domänen

7 Kolloide: Florian Bürzle Kerstin Franzrahe Peter Henseler Marc Lohrer Nadine Schwierz Wolfram Strepp K. Binder (Mainz) A. Ricci (Mainz) S. Sengupta (Calcutta) D. Chaudhuri (Calcutta) Mitarbeiter: Cluster: Dominik Fischer Wolfram Quester Margit Schach Drähte: Markus Dreher J. Heurich (Karlsruhe) C. Cuevas (Karlsruhe) F. Pauly (Karlsruhe) Magnetische Domänen: Christine Schieback Daniel Mutter Tobias Sorg Experimente: A. Erbe, C. Bechinger (Stuttgart), G. Ganteför, M. Kläui, P. Leiderer, G. Maret, U. Rüdiger, E. Scheer, K. Zahn (Konstanz)

8 Methoden: Klassische Simulationen: Monte Carlo Molekulardynamik Brownian Dynamics Finite Size Scaling Quantensimulationen: Pfadintegral Monte Carlo Dichtefunktionaltheorie (Car-Parinello) Computer: Großrechner (NIC, HLRS, SSC) lokale compute-cluster Kooperationen: SFB TR6 (Kolloide) - Teilsprecher Konstanz SFB 767 (Nanostrukturen) ESF/COST ( SIMU, MOLSIMU, SIMBIOMA ) - chairman Kombinationen von Methoden zur Überbrückung von Längen-und Zeitskalen

9 Simulationen in der Statistischen Physik Statistische Mittelwerte : 1 A = " d exp Z dabei: Z d { X } A( X) [! H( X) k T] = " Im Gleichgewicht : P X 1 = exp! Z A M 1 =! A M { X } exp[! H( X) / k T] ( ) [ H( X) k T] eq / i= 1 ( X ) i B B B

10 Metropolis Monte Carlo: Wahrscheinlichkeitsverteilung im Phasenraum: P( X, t + 1) # P( X, t ) =!W ( X' " X) P( X', t ) #!W ( X " X' ) P( X, t ) X' X' detaillierte Balance: W ( X'! X) Peq ( X' ) = W ( X! X' ) Peq ( X) Wahl für Übergangswahrscheinlichkeiten: #exp(( )%H [ X ' X' ] ) : %H & 0 W ( X ' X' ) = " 1 : %H $ 0!

11 Statistische Mechanik Quantenmechanik Feynman (1942) Pfadintegrale

12 Quanteneffekte in Festkörpern: Pfadintegral Monte Carlo Studien

13

14 Das Universum im Computer / LS Nielaba Numerisch exakte Behandlung komplexer Systeme Überprüfung analytischer Näherungen Voraussagen fürs Experiment Vielteilchensysteme Quantenphänomene Magnetismus Materialien für die Zukunft Nano-Bauelemente Neue Speichermedien Struktur-Änderungen durch äußere Felder Nachbarwissenschaften: Mathematik (Modellbildung, Methoden), Informatik, Chemie (Moleküle), Biologie (Membran), Finanz-Physik ( )

15 Einfache geometrische Objekte:

16 Colloidal dispersions: Solutions of mesoscopic solid particles with a stable (non-fluctuating) shape embedded in a molecular fluid solvent Examples: aqueous suspensions of polystyrene, latex spheres or rods, They can be prepared and characterized in a controlled way The interaction is tunable They are prototypes of soft matter: Simplest complex fluid Ideal model systems in statistical physics Bridge to the Nano-World

17 Colloidal dispersions: Strukturen im Gleichgewicht: Phasenumwandlungen und Quanteneffekte Strukturbildung im Nichtgleichgewicht Vergleich mit Experimenten und Voraussagen

18 Colloids in external periodic light fields (experiments): Side view: d colloids Top view: Q.-H. Wei, C. Bechinger, D. Rudhardt, P. Leiderer, Phys. Rev. Lett. 81, 2606 (1998)

19 Comparison experiment/simulation Configurations V 0

20 Comparison experiment/simulation Pair correlation functions V 0

21 The cumulant: Order parameter: "! U L =1" #4 L 2 3 # 2 L! T>T c : T<T c : U L L"# $ $ " 0 T=T c :! K. Binder, Z. Phys. B43, 119 (1981)! U L L"# $ $ " 2 / 3 U L " U L (L /#) #$% & & $ U * (universal)

22 Order parameter cumulant: W. Strepp, S. Sengupta, P. Nielaba, PRE 63, (2001)

23 Phase diagram (hard disks): Solid Density modulated liquid Intensity

24 Suppression of fluctuations for small V 0 : V 0 V 0 Laser induced freezing

25 Suppression of fluctuations perpendicular to valleys : decoupling of particles in neighbor- valleys for large V 0 V 0 V 0 Laser induced melting

26 Phase diagram (hard disks): Solid Density modulated liquid Intensity

27 Effect of the interaction range: interactions with additional neighbors hard core interaction

Phase diagrams: Effect of the potential range

Phase diagrams: Effect of the potential range Phase diagrams: Effect of the potential range DLVO-potential: good qualitative agreement with the experiment experiment Effect on reentrance: simulation % 1,2 "# 1,2 $ 2" (! a = = # (! a ) Disks DLVO 1/r

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