Nestabilní stochastická dynamika v optické pinzetě

15. ledna 2019

Multidisciplinární výzkumný tým tvořený vědci z Katedry makromolekulární fyziky MFF UK, Katedry optiky UP v Olomouci a Skupiny mikrofotoniky Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně si posvítil na vysoce nestabilní systémy s rychlými přechodovými procesy. Výsledky jejich experimentálního a teoretického výzkumu byly publikovány v prestižním časopise Physical Review Letters.

Brownovská částice v nelineární optické pinzetě


„S dynamikou silně nestabilních systémů se setkáváme při různých rychlých rozpadech, explozích, fázových transformacích, ale i při zásadních biologických procesech jako jsou výboje neuronů řídící celý náš organizmus. Zatímco fyzici se často zaměřují až na samotný výsledek takových procesů, nebo na doby jejich trvání, případně na tzv. rychlostní konstanty, našemu týmu se podařilo teoreticky popsat a experimentálně proměřit jejich detailní dynamiku a energetiku,“ říká Dr. Artem Ryabov z MFF UK, který se na výzkumu podílel.

„Výzkumná skupina profesora Filipa z Katedry optiky Univerzity Palackého v Olomouci ve svých simulacích objevila zajímavé anomální dynamické jevy při difúzi blízko nestability v kubickém potenciálu. Po intenzivní spolupráci a překonání řády technických problémů se nám společnými sílami podařilo přijít s vhodným matematickým formalizmem, který můžeme považovat za zobecnění Gibbsových rovnovážných souborů na případ silně nestabilní systémů,“ popisuje průběh teoretické části výzkumu Dr. Viktor Holubec, druhý člen týmu z MFF UK, který je zároveň na postdoktorandské stáži na Univerzitě v Lipsku.

Hlavním problémem při popisu dynamiky nestabilních systémů je, že nestabilita vytváří rychle divergující trajektorie. Tyto divergence se promítají do vlastností statistických momentů pravděpodobnostních rozdělení, které také rychle divergují a tak po krátkém čase přestávají být pro popis systému použitelné. Pokud se však místo „globálních“ vlastností použije lokální popis podsouboru nedivergujících trajektorií, lze získat úplný obraz dynamiky a energetiky nestabilního systému.

Experimentální test teorie byl proveden v laboratořích Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně. K testu byla použita speciální verze optické pinzety, kterou tým prof. Pavla Zemánka vyvinul pro testy nelineární stochastické mechaniky. Tato nelineární pinzeta je vylepšenou verzí optické pinzety, za jejíž vývoj byla v minulém roce udělena Arthuru Ashkinovu Nobelova cena za fyziku.

Popsaný výzkum, otevírající novou kapitolu ve studiu dynamiky a energetiky nestabilních stochastických systémů, byl publikován v časopise Physical Review E a v prestižním časopise Physical Review Letters vydávaných Americkou fyzikální společností (APS).

KMF MFF UK