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Control of levitated nanoparticles
single particle thermodynamics
Markus Rademacher
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Nikolai Kiesel
DOI
10.25365/thesis.53791
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29373.53926.944953-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Stochastische Thermodynamik erstreckt sich von der Biologie über die Materialwissenschaften bis hin zur Informationstheorie. Ein prominentes Beispiel ist die Jarzynski-Gleichung, die das Verhalten eines mechanischen Systems weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt mit der freien Energie in Beziehung setzt. Diese wurde zum Beispiel verwendet um die Faltungseigenschaften von Nukleinsäuren und Proteinen zu beschreiben.
Kürzlich hat die theoretische Untersuchung schneller Temperaturänderungen (thermisches Treiben) eine Verallgemeinerung der Jarzynski-Gleichung über eine rein mechanische Kontrolle hinaus ermöglicht. Trotz der Bedeutung von Prozessen, die thermische und mechanische Veränderungen verwenden, stehen experimentelle Untersuchungen von Fluktuationtheoremen noch aus, die auch thermisches Treiben berücksichtigen.
Das zentrale Ziel dieser Arbeit ist es diese Lücke zu füllen und die William- Searles-Evans-Gleichung und die verallgemeinerte Jarzynski-Gleichung experimentell zu untersuchen. Um dies zu erreichen, verwenden wir levitierte Nanoteilchen. Das erlaubt uns eine schnelle Kontrolle über das mechanische Potential als auch ein effektives thermisches Bad, das über eine Rückkopplungssteuerung implementiert wird.
Ausschlaggebend war die Erweiterung eines bestehenden Experiments, das eine optischen Falle in einer auf einem photonischen Kristall basierenden Hohlkernfaser realisiert: Es wurde eine programmierbare, zeitabhängige Steuerung der zentralen experimentellen Parameter implementiert und ihr Einfluss auf das Detektionssystem und die Datenanalyse analysiert. Zur Auswertung der großen Datenmenge wurde durch Parallelisierung eine schnelle Datenverarbeitung ermöglicht.
In dieser Masterarbeit haben wir erfolgreich die Gültigkeit des William-Searles-Evans und des verallgemeinerten Jarzynski-Flukutationstheorems für thermisches und mechanisches Treiben weit vom thermodynamischen Gleichgewicht demonstriert für eine Rate der Zustandsänderung von bis zu zwei Größenordnungen über den Gültigkeitsbereich der quasistatischen Approximation hinaus.
Abstract
(Englisch)
Stochastic thermodynamics has applications from biology over material science to information theory. A prominent example is the Jarzynski equality relating far-from-equilibrium mechanical behaviour to the equilibrium free-energy difference. This has for instance been used to describe the folding properties of nucleic acids and proteins.
Recently, the theoretical study of fast temperature changes, i.e., thermal driving, generalised the Jarzynski equality beyond purely mechanical control. Despite the importance of thermal and mechanical control (e.g. for heat engine cycles), we are lacking experimental studies of fluctuation theorems that take thermal driving into account.
The central goal of this thesis is to fill this gap and assess the William-Searles-Evans equality and the generalized Jarzynski equality experimentally. To achieve this we use levitated nanoparticles, which enables fast control over the mechanical potential and effective thermal bath that is implemented via feedback control.
Crucial was the extension of an existing experiment on a hollow-core photonic crystal fibre optical trap: We implemented programmable time-dependent control of the central experimental parameters and calibrated its influence on the detection system and data analysis. For evaluating the large amount of data collected for this type of experiment, we develop multi-core parallelised programs for quick data processing.
In this Master thesis we successfully demonstrate that the William-Searles-Evans and the generalized Jarzynski fluctuation theorem hold for thermal and mechanical driving far from equilibrium, at a speed up to two orders of magnitude beyond the validity of the quasi-static approximation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
stochastic thermodynamics fluctuation theorem nanoparticles levitation optomechanics free energy temperature change hollow-core photonic crystal fibre
Schlagwörter
(Deutsch)
Stochastik Thermodynamik Fluktuationstheorem Nanoteilchen Levitation Optomechanik Freie Energie Temperaturänderung Hohlfaser photonischer Kristall
Autor*innen
Markus Rademacher
Haupttitel (Englisch)
Control of levitated nanoparticles
Hauptuntertitel (Englisch)
single particle thermodynamics
Paralleltitel (Deutsch)
Kontrolle von levitierten Nanoteilchen : Einzelteilchen-Thermodynamik
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
III, 79 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Nikolai Kiesel
Klassifikationen
33 Physik > 33.00 Physik: Allgemeines ,
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.09 Physik unter besonderen Bedingungen ,
33 Physik > 33.18 Optik ,
33 Physik > 33.25 Thermodynamik, statistische Physik ,
33 Physik > 33.28 Transportvorgänge, irreversible Thermodynamik ,
33 Physik > 33.30 Atomphysik, Molekülphysik ,
33 Physik > 33.90 Physik in Beziehung zu anderen Fachgebieten
AC Nummer
AC15306652
Utheses ID
47518
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |