Fuerzas: Equilibrio y no equilibrio
Investigar los fenómenos de desequilibrio en sistemas complejos y crear nuevos modelos computacionales para ellos es el objetivo de la nueva unidad de investigación “Reducir la complejidad de los sistemas de desequilibrio”, cuyo portavoz es el Prof. Dr. Gerhard Stock, del Instituto de Física de la Universidad de Friburgo. La Fundación Alemana de Investigación (DFG) financia el grupo con un total de 3,2 millones de euros para los próximos cuatro años.
Los procesos sin equilibrio están omnipresentes en la investigación básica y en las aplicaciones tecnológicas. La mayoría de los procesos biológicos y mecánicos tienen lugar lejos del equilibrio. Sin embargo, la mayoría de los enfoques teóricos y las simulaciones de sistemas complejos se basan en el equilibrio térmico. Esta suposición es también la piedra angular de la mayoría de los enfoques para reducir la complejidad de un sistema. Sin embargo, esto puede llevar a una descripción cualitativamente incorrecta de los procesos dinámicos en los sistemas complejos.
La unidad de investigación quiere desarrollar un enfoque sistemático para describir procesos en sistemas complejos de diferentes disciplinas como la física, la química, la biofísica y la ingeniería lejos del equilibrio. Para ello, los investigadores de Friburgo aplicarán un amplio espectro de métodos que van desde descripciones completamente mecánicas cuánticas hasta simulaciones clásicas. Por ejemplo, quieren estudiar los fenómenos fuera del equilibrio en diferentes sistemas, como en los procesos de transporte dentro de las nanoestructuras y las biomoléculas, así como las diferentes formas de fricción en las superficies y también dentro de los lubricantes.
Bombeo topológico en el equilibrio periódico lejano
Considere las moléculas de H2O en una gota de agua. Las moléculas reaccionan a las fuerzas intermoleculares que pretenden alinearlas con respecto a sus vecinas. Al mismo tiempo, experimentan un rápido movimiento térmico en forma de vibraciones intramoleculares y fluctuaciones de posición y orientación dentro de las jaulas formadas por las moléculas vecinas. El movimiento térmico implica aleatoriedad, que contrarresta el efecto de orden de las fuerzas intermoleculares. A medida que la gota se enfría, los movimientos térmicos disminuyen. Finalmente, a una temperatura lo suficientemente baja, la aleatoriedad se suprime; se produce la nucleación y el crecimiento de un cristal de hielo. Esta transición de fase es reversible. Cuando el hielo se calienta, las moléculas de agua intensifican su movimiento y el hielo se funde. La fase de equilibrio del agua es la fase sólida por debajo de los 0°C (32°F); la fase fluida se produce por encima de esa temperatura.
Las fuerzas intermoleculares en el agua se describen mediante la energía E y la entropía S. A cada temperatura T y para una fase determinada, fluida o sólida, se pueden medir o calcular ambas variables. La energía y la entropía pueden combinarse para formar la energía libre F = E – TS. La fórmula conduce al principio de mínima energía libre, que establece que la fase termodinámicamente estable minimiza la energía libre en el equilibrio. Este principio implica que el comportamiento de las fases de un sistema en equilibrio se rige por un principio extremo.
Orígenes de la vida : Introducción – Física del no equilibrio
Los fenómenos fuera del equilibrio son abundantes en la naturaleza. A pesar de ello, aún faltan descripciones eficaces para su comprensión. En los sistemas cuánticos, hay varios ejemplos de desviación del equilibrio, y la búsqueda de cómo tales sistemas se relajan de vuelta al equilibrio está en curso. En esta colección de temas especiales de AVS Quantum Science, damos la bienvenida a contribuciones experimentales y teóricas que conduzcan a una mejor comprensión de estos sistemas y a propuestas de nuevas direcciones en este rico campo. Se aceptarán artículos originales de investigación y de revisión que pongan de manifiesto los retos en cualquier aspecto del tema. Son bienvenidos los temas que estén directa o indirectamente relacionados con el no-equilibrio cuántico.
Termodinámica de los sistemas alejados del equilibrio
Este libro presenta un formalismo actualizado de las funciones de Green de no equilibrio que cubre diferentes aplicaciones que van desde la física del estado sólido, la física del plasma, los átomos fríos en redes ópticas hasta el transporte relativista y las colisiones de iones pesados. Dentro del formalismo de la función de Green, los conjuntos básicos de ecuaciones para estos diversos sistemas son similares, y las aproximaciones desarrolladas en un campo pueden adaptarse a otro. El objeto central es la autoenergía, que incluye todos los aspectos no triviales de la dinámica del sistema. Por lo tanto, la atención se centra en los procesos microscópicos a partir de los principios elementales para los gases clásicos y la imagen complementaria de una sola partícula cuántica en un potencial aleatorio. Esto proporciona una imagen intuitiva de la interacción de una partícula con el medio formado por otras partículas, sobre la que se construye la función de Green.
PARTE I: Conceptos cinéticos clásicos 1:Antecedentes históricos 2:Principios elementales 3:Teoría cinética clásica PARTE II: Vía inductiva al transporte cuántico 4:Dispersión en una sola impureza 5:Dispersión en múltiples impurezas 6:Autoenergía PARTE III: Vía deductiva al transporte cuántico 7. Funciones de Green en desequilibrio Funciones de Green en desequilibrio 8:Propiedades espectrales 9:Ecuaciones cinéticas cuánticas 10:Aproximaciones para la autoenergía 11:Técnicas variacionales de la teoría de muchos cuerpos 12:Sistemas con condensados y emparejamientos PARTE IV: Teoría cinética no local 13:Integral de colisión no local 14:Propiedades de los sistemas no constantes y no constantes Propiedades de las correcciones no constantes y no locales 15:Hidrodinámica cuántica en desequilibrio PARTE V: Aplicaciones seleccionadas 16:Difracción en una barrera 17:Impurezas profundas con retardo de colisión 18:Aproximación del tiempo de relajación 19:Periodo de tiempo transitorio 20:Transporte dependiente del campo 21: Teoría cinética de sistemas con estructura SU(2) 22:Transporte relativista 23:Simulaciones de reacciones de iones pesados con colisiones no locales Apéndice A: Técnica del operador de densidad Apéndice B: Trayectoria temporal compleja Apéndice C: Teorema óptico derivado Apéndice D: Prueba de la compensación de la deriva y la ganancia en la tasa de cuasipartículas Apéndice E: Interacciones separables
