Postrkování Brownovských částic fotony

• Thesis title in Czech: Postrkování Brownovských částic fotony
• Thesis title in English: Photon nudging
• Key words: Postrkování fotony, optimalizace, brownovská dynamika, aktivní částice, termodynamika informace
• English key words: Photon nudging, optimization, Brownian dynamics, active matter, thermodynamics of information
• Academic year of topic announcement: 2017/2018
• Thesis type: project
• Department: Department of Macromolecular Physics (32-KMF)
• Supervisor: RNDr. Viktor Holubec, Ph.D.

Guidelines

1) Hlavním cílem projektu je zapojit studenta do probíhajícího výzkumu na KMF, který se zabývá studiem částic řízených pomocí experimentální metody popsané výše. V rámci projektu bude vytvořena počítačová simulace dynamiky postrkovaných částic [6]. Dále budou zkoumány možnosti optimalizace řízení částic pomocí postrkování fotony. Konkrétně se zaměříme na dvě základní úlohy důležité i pro bakterie. 1) Jak dosáhnout co nejrychleji a s co nejmenším vynaložením energie určitého cíle. 2) Jak tohoto cíle dosáhnout s co možná největší přesností.

References

[1] Ashkin, A., et al. Opt. Lett. 11(5), 288–290 (1986).
[2] Bregulla, A. P. and Cichos, F. Faraday Discuss. (2015)
[3] Astumian, R. D., Farad. Discuss. (2016)
[4] Bechinger, C., et al. ArXiv:1602.00081 (2016).
[5] Qian, B., et al. Chem. Sci. 4, 1420–1429 (2013).
[6] Gillespie, D. T., Markov processes: an intro. for phys. sci. Elsevier, (1991).
[7] Parrondo, J. M. R., et al. Nat. Phys. 11, 131–139 (2015).

Preliminary scope of work

V posledních třech dekádách došlo k bouřlivému vývoji v oblasti experimentálních technik umožňujících přímo ovládat jednotlivé Brownovské částice. Jednou z nejznámějších technik v této oblasti je nepochybně tzv. optická pinzeta [1], umožňující řídit částice pomocí soustředěného proudu fotonů. Přesto, že je vynález optické pinzety již poměrně starý, stále se objevují její nové a vzrušující aplikace. Jednou z nich je tzv. ‘postrkování fotony’, experimentální metoda vyvinutá na Univerzitě v Lipsku, která využívá informace o aktuálním natočení asymetrické Brownovské částice k jejímu usměrněnému pohybu [2]. Částice má jednu polovinu ze skla a druhou z materiálu dobře absorbujícího teplo. Po jejím osvícení laserem se částice asymetricky zahřeje a díky tomu kolem ní začne proudit voda, ve které se celý pokus odehrává. Výsledný pohyb částice ve směru její horké části pak má na svědomí zákon zachování hybnosti – voda se v průměru pohybuje směrem přesně opačným.

Z teoretického hlediska je tato experimentální metoda velice zajímavá z následujících důvodů. 1) Jedná se o jednu z prvních experimentálních metod způsobujících pohyb na mikroskopické úrovni pouze díky detailní znalosti stavu systému. Jedná se tedy o pohon zcela založený na informaci a právě stroje poháněné informací jsou pravděpodobně základními dopravními prostředky pracujícími v našich buňkách [3]. Fyzici tento fakt již zaznamenali a (nejen) v posledních letech probíhá bouřlivá snaha o zakomponování informace do termodynamického popisu světa [7]. 2) Brownovské částice řízené pomocí fotonů vykazují podobnou dynamiku jako některé mikroorganismy (např. bakterie E-Coli). Studium dynamiky postrkovaných Brownovských částic a optimalizace jejich pohybu nám tak mohou mnohé napovědět o chování tzv. aktivních částic, jimiž jsou např. právě bakterie E-Coli [4].