2+1 ist nicht immer 3

In der mikroskopischen Welt, in der moderne miniaturisierte Maschinen an den Grenzen neuer Technologien operieren, sind die Dinge relativ einfach – solange wir es mit zwei Teilchen zu tun haben. Wenn weitere Teilchen hinzukommen, wird die Situation jedoch komplizierter, als es der gesunde Menschenverstand nahelegen würde. Stellen Sie sich vor, dass zwei Personen ein liegengebliebenes Auto schieben: Die Gesamtkraft ist die Summe der Kräfte dieser beiden Personen. Entsprechend wäre es bei drei Personen die Summe der Kräfte von drei Personen und so weiter. Stellen Sie sich nun ein Festkörperteilchen mit einer Größe von ein paar tausendstel Millimeter vor, ein sogenanntes Kolloid, eingetaucht in Flüssigkeit. Direkt davor befindet sich ein ähnliches Teilchen. Wenn es „kritische“ thermische Fluktuationen in der sie trennenden Flüssigkeit gibt, stoßen sie sich gegenseitig entweder ab oder ziehen sich an, ohne sich zu berühren – hierfür sind die Fluktuationen verantwortlich. Anders ausgedrückt entsteht eine Wechselwirkungskraft oder „kritische Casimir“-Kraft, als wären die Teilchen durch eine unsichtbare Feder verbunden. Um kritische Fluktuationen zu erreichen, benötigen wir nur eine von zahlreichen transparenten Flüssigkeiten, bestehend aus einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten, welche sich wie Öl und Wasser bei Erhöhung ihrer Temperatur allmählich trennen.  

Was geschieht nun , wenn ein drittes Kolloid hinzukommt? „Etwas, dass unserer Intuition widerspricht“, erklärt SISSA-Professor Andrea Gambassi, einer der Autoren der Studie und langjähriger Kollege von Prof. Siegfried Dietrich, Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart. „Die Gesamtkraft, die eines der Teilchen ‚wahrnimmt‘, weicht von der Summe der Interaktionen mit den anderen beiden, wenn diese einzeln vorhanden sind, ab.”

Dietrich und Gambassi sind mit kritischen Casimir-Kräften vertraut: 2008 veröffentlichten sie gemeinsam eine Studie in Nature, in der diese Kräfte – die bereits seit 1978 theoretisch vorhergesagt wurden – erstmals direkt gemessen wurden. Dies geschah in Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe von Prof. Clemens Bechinger, Leiter des 2. Physikalischen Instituts an der Universität Stuttgart und Max Planck Fellow am MPI-IS. „Einfach ausgedrückt“, führt Gambassi weiter aus, „summieren sich die Kräfte nicht linear, so wie sie es in unserem Alltagsleben tun. Hier haben wir es mit etwas zu tun, was Physiker als Vielteilchen-Effekt bezeichnen. Dieser ist typisch für durch Fluktuationen ausgelöste Kräfte.“

Die neue Studie beschreibt diesen Effekt zum ersten Mal in einem System bestehend aus Glas (Siliciumdioxid)-Mikrokugeln, die in eine Flüssigkeit getaucht wurden. Durch die Rekonstruktion kritischer Casimir-Kräfte erst mit nur zwei und danach mit drei Teilchen demonstrierten die Forscher die Nicht-Additivität dieser Kräfte. „Die Kenntnis dieser Effekte ist sowohl für die Grundlagen- als auch für die angewandte Forschung sehr wichtig – insbesondere für Wissenschaftler, die Mikromaschinen für viele verschiedene Aufgaben konstruieren. Jede Mikromaschine besteht aus mehreren mechanischen Teilen in Relativbewegung – um zu verstehen, wie die verschiedenen ‚Zahnräder‘ ineinander greifen, ist die Kenntnis der Vielteilchen-Interaktion, vor allem in Gegenwart von Flüssigkeiten, entscheidend“, erklärt Gambassi.

Laserstrahlen, optische Pinzette und kritische Mischungen

Das Experiment, durchgeführt von der von Professor Giovanni Volpe geleiteten Gruppe an der Universität Bilkent in der Türkei, startet mit Kolloiden, die in eine Mischung aus Wasser und Lutidin (einer öligen Flüssigkeit) eingetaucht werden. Unter 34 °C ähnelt diese Mischung Wasser, doch wenn die Temperatur erhöht wird, setzt ein Übergang ein: zuerst wird die Flüssigkeit aufgrund der Effekte kritischer Fluktuationen trüb. Danach beginnt sich das Öl abzutrennen und schwimmt auf dem Wasser. „Rund um diesen Phasenübergang beobachten wir die Vielteilchen-Effekte“, erklärt Volpe.

Die in Flüssigkeiten eingetauchten Kolloide bewegen sich jedoch zufällig und breiten sich mit Brownscher Bewegung aus, der typischen Bewegung mikroskopischer Objekte, die in eine Flüssigkeit eingetaucht werden. Sie wurde durch Einstein theoretisch erklärt. Um die Kolloide räumlich „einzuschließen“, wurde die Flüssigkeit durch dünne, auf einen Punkt fokussierte Laserstrahlen beleuchtet: Als die Teilchen in den Strahl eindrangen, tendierten sie dazu, dort zu bleiben, wo das Licht am stärksten war. So funktionierte der Laser wie eine Art optische Pinzette. Durch die Verwendung zweier Laserstrahlen, um zwei Kolloide nahe beieinander zu halten, war es möglich, ihre zufälligen Bewegungen mit einer Mikroskop-Videoaufnahme präzise zu messen. Danach wurden mit statistischen Methoden die beteiligten Kräfte rekonstruiert. Mit Hilfe einer weiteren optischen Pinzette fügten die Forscher schließlich ein drittes Teilchen hinzu.

„Bei Betrachtung des Phasenübergangs beobachteten wir beim Vergleich des Experiments mit zwei und drei Kolloiden, dass es keine lineare Addition der Kräfte gab und dass Vielteilchen-Effekte vorhanden waren“, erklärt Dietrich. „Natürlich würde die Situation bei der Hinzufügung weiterer Kolloide noch komplizierter und interessanter.“ Volpe sagt abschließend: „Auf diese Weise haben wir gezeigt, dass der Vielteilchen-Effekt real ist und konnten ihn mit unerwarteter Genauigkeit messen – vor allem, wenn man bedenkt, dass wir es hier mit Kräften im Bereich eines Tausendstels eines Millionstel-Gramms zu tun haben. Wir möchten sie nun für die Planung und Entwicklung neuer Mikromaschinen nutzen.“