Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 1999
Programm und Abstracts der Sitzung DY 41

Bariumhexaferrit-Ferrofluide - Präparation und physikalische Eigenschaften

•R. Hiergeist¹, R. Müller¹, H. Steinmetz¹, N. Ayoub², M. Fujisaki¹, W. Schüppel¹ und E. Steinbeiss^1
1Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. Jena, Helmholtzweg 4, D-07743 Jena, Germany
²Yarmouk University, Department of Physics, Irbid, Jordan

Wir berichten über die erstmals gelungene Präparation von Bariumhexaferrit (BaFe_12-2xTi_xCo_xO₁₉) - Ferrofluiden unter Verwendung von Ölsäure als Hüllmaterial mit Isopar M (EXXON) als Trägerflüssigkeit. Die Präparation der Bariumhexaferrit-Nanopartikel erfolgte nach einem Glaskristallisationsverfahren. TEM-Untersuchnungen dieser Fluide zeigen isolierte Partikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser von » 8 nm. Numerische Studien des magnetoviskosen Verhaltens im Rahmen des "`local-equilibrium magnetic state"' (LEMS) - Modells ergeben, aufgrund der hohen Kristallanisotropie der Hexaferrit-Nanopartikel, eine - im Gegensatz zu konventionellen Fluiden auf Magnetitbasis - deutlich höhere Viskosität dieser neuen Fluide, auch bei kleinen magnetischen Feldern. VSM - Messungen der Anfangssuszeptibilität in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen nach zero-field-cooling ein für Systeme kleiner magnetischer Partikel im Übergang vom stabilen ferrimagnetischen Verhalten hin zum superparamagnetischen Verhalten typisches Maximum. Vergleichende Untersuchungen der relativen DC Remanenz verschiedener erstarrter konventioneller Ferrofluide mit der des erstarrten Hexaferrit-Ferrofluids zeigen die deutlich höhere Anisotropie der Hexaferrit-Partikel im Gegensatz zu den Partikeln der konventionellen Fluide. Ergebnisse rheologischer Messungen mit einem kombinierten Searle-Couette-Typ Doppelspalt-Rotationsviskosimeters werden diskutiert.

Thermomagnetophorese in Ferrofluiden

•Thomas Völker¹, Elmars Blums ² und Stefan Odenbach^1
1ZARM Universität Bremen Am Fallturm 28359 Bremen
²Institute of Physics University of Riga Salaspils Latvia

Im Rahmen der Untersuchungen zu Transporteigenschaften in Ferrofluiden wurden in der Vergangenheit sowohl theoretische als auch experimentelle Arbeiten zur Thermomagnetophorese durchgeführt. Die daraus resultierenden Diffusionstheorien vernachlässigten dabei allerdings den Einfluß thermomagnetischer Konvektion auf diesen Prozeß. Bisher ergaben sich erhebliche Diskrepanzen zwischen Experimenten und den bestehenden Diffusionstheorien für den Fall, daß Temperatur- und Feldgradient parallel ausgerichtet sind. Ein möglicher Grund dafür könnte die Überlagerung der thermischen Grundströmung durch thermomagnetische Konvektion sein. Experimentelle Ergebnisse zur Thermomagnetophorese sowie erste experimentelle Beobachtungen des benannten Strömungsphänomens werden vorgestellt. Qualitative Veränderungen der thermischen Grundströmung an den Wänden einer Thermodiffusionszelle können dabei in einem weiten Parameterraum durch Einsatz der Flüssigkristallmeßtechnik optisch erfaßt werden. Diese Untersuchungen eröffnen neue Optionen zur Überprüfung der oben angesprochenen Diffusionstheorien.

Eine Möglichkeit zur Berechnung der Form eines Ferrofluidstachels im Magnetfeld

•Rene Friedrichs
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Theoretische Physik, Abt. Statistische Physik u. nichtlineare Dynamik, D-39016 Magdeburg

Wird ein Ferrofluid in ein ursprünglich homogenes Magnetfeld gebracht, wachsen bei ausreichenden Feldstärken aus der freien Oberfläche der magnetisierbaren Flüssigkeit Stachel heraus [1]. Ein Stachel nimmt dabei die Form an, bei der die bezüglich der magnetischen Flußdichte Legendre-Transformierte freie Energie [F\tilde] : = F - ò dV  H(r)B(r) ein Minimum besitzt. Es wird nun der obige Ausdruck für die Energie bezüglich einiger den Stachel charakterisierenden Parametern minimiert, um die Gestalt eines Ferrofluidpeaks zu erhalten. Die in diese Berechnung eingehende Verteilung des durch das Ferrofluid beeinflußten Magnetfeldes wird über die Lösung der Integralgleichung für die Quelldichte der magnetischen Feldstärke bestimmt. Bei Fluiden mit einer kleinen Suszeptibilität kann eine Näherungslösung analytisch abgeleitet werden, während sonst die genaue Feldverteilung in der Regel nur numerisch berechnet werden kann.

Die Arbeit wird gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

[1] R. E. Rosensweig, M. D. Cowley: The interfacial stability of a ferromagnetic fluid, J. Fluid Mech. 30, 671 (1967)

Scherverdünnung in Ferrofluiden

•Jörg Fleischer und Stefan Odenbach
ZARM, Universität Bremen, Am Fallturm, 28359 Bremen

Für die Untersuchung von viskosen und viskoelastischen Eigenschaften von Ferrofluiden wird ein spezielles Rheometer verwendet, welches das Anlegen eines variablen homogenen Magnetfeldes um die Meßzelle, ein kombiniertes Kegel- Platte-System, erlaubt. Dadurch wird die quantitative Analyse viskoelastischer Effekte in Ferrofluiden als Funktion der Magnetfeldstärke ermöglicht. Ein solcher Effekt ist die Scherverdünnung, d.h. die Verringerung der Viskosität der untersuchten Ferrofluide bei steigender Scherrate und anliegendem Magnetfeld. Diese Scherverdünnung läßt darauf schließen, daß die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln des Ferrofluids im Magnetfeld zu

Agglomeration dieser Partikel führen. Magnetfeldinduziert bilden sich großräumige kettenförmige Strukturen aus einzelnen Partikeln des Ferrofluids. Diese Partikel können einzelne Teilchen oder auch sog. Primäragglomerate sein. Eine solche magnetische Kopplung ist in keiner der klassischen Ferrofluidtheorien enthalten. Bei steigender Scherrate oder sinkender Magnetfeldstärke zerbrechen die Agglomerate, wodurch die Viskosität des Ferrofluids verringert wird.

Weissenberg - Effekt in magnetischen Flüssigkeiten unter reduzierter Schwerkraft

•Katja Melzner, Thomas Rylewicz und Stefan Odenbach
ZARM, Universität Bremen, Am Fallturm, 28359 Bremen

Ferrofluide wurden früher größtenteils als rein viskose Flüssigkeiten behandelt, da besonders in magnetischen Flüssigkeiten auf Kerosin - Basis die vom Magnetfeld induzierte Kettenbildung der magnetischen Partikel und die damit verbundenen viskoelastischen Effekte als vernachlässigbar gering betrachtet wurde. Rheologische Messungen zeigten jedoch eine zwar schwache aber deutlich meßbare Viskoelastizität. Das hier vorgestellte Experiment untersucht das Auftreten von Normalspannungsdifferenzen in kommerziellen Ferrofluiden und Laborfluiden und verwendet als Nachweis solcher viskoelastischen Kräfte das Ansteigen einer freien Oberfläche an einem rotierendem Stab, den sogenannten Weissenberg - Effekt. Dabei wurde systematisch der Einfluß der Flüssigkeitszusammensetzung untersucht, indem die Steighöhe verschieden konzentrierter Ferrofluide als Funktion der Feldstärke und der Scherrate für feste Stabradien gemessen wurde. Aufgrund der zu erwarteten schwachen Normalspannungskräfte und der 1/g Abhängigkeit der Steighöhe der Flüssigkeitsoberfläche an dem Stab wurde das Experiment unter reduzierter Schwerkraft im Rahmen der 25. ESA Parabelflug- Kampagne durchgeführt.

Messung magnetischer Felder in und um den Rosensweig-Stachel

•A. Tiefenau, G. Matthies, R. Schäfer, R. Friedrichs, R. Richter und I. Rehberg
Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, PSF 4120, D-39016 Magdeburg

Magnetische Flüssigkeiten sind eine kolloidale Suspension magnetischer Nanopartikel in einer Trägerflüssigkeit. Bei Aufprägen eines Magnetfeldes normal zur Flüssigkeitsoberfläche beobachtet man oberhalb einer kritischen Feldstärke die Ausbildung von Oberflächenmodulationen. Diese sogenannten Rosensweig-Stacheln beeinflussen ihrerseits die Verteilung des magnetischen Feldes. Aufgrund dieser nichtlinearen Kopplung von Oberflächenform und Feldverteilung ist die präzise und simultane Vermessung beider Grössen eine wichtige Vorraussetzung für die numerische und analytische Behandlung des Problems. Wir vergleichen die experimentellen Ergebnisse mit Modellvorhersagen.

Wellenzahlen bei überkritischem Magnetfeld für viskose magnetische Flüssigkeiten: konstant oder nicht

•Adrian Lange
Inst. für Theo. Physik, Univ. Magdeburg, Postfach 4120, D-39016 Magdeburg

Bei einem kritischem Magnetfeld B_c wird die ebene Grenzfläche zwischen einer magnetischen und einer nichtmagnetischen Flüssigkeit instabil. Das Muster der sich anordnenden Stachel ist durch eine kritische Wellenzahl q_c charakterisiert. Für Magnetfelder jenseits von B_c werden sowohl veränderliche [1] als auch konstante Wellenzahlen [2] beobachtet. Salins Analyse der Dispersionsrelation für Oberflächenwellen im viskos-dominanten Fall lieferte konstante Wellenzahlen maximalen Wachstums, q_m = q_c [3].

Eine detaillierte und analytische Untersuchung der Dispersionsrelation für beliebige Viskositäten der magnetischen Flüssigkeit wird präsentiert. Als Ergebnis muß die Hauptaussage in [3] korrigiert werden: die Wellenzahl maximalen Wachstums bei überkritischem Magnetfeld ist für magnetische Flüssigkeiten mit realistischen Viskositäten nicht konstant, q_m ¹ q_c. Nahezu konstante Wellenzahlen treten erst bei Viskositäten auf, die 2 Größenordnungen größer sind als die Viskositäten realer magnetischer Flüssigkeiten.

[1] T. Mahr, Dissertation, Magdeburg 1998

[2] M.D. Cowley, R.E. Rosensweig, J. Fluid Mech., 30, 671 (1967); J.-C. Bacri, U. d'Ortona, D. Salin, Phys. Rev. Lett. 67, 50, (1991)

[3] D. Salin, Europhys. Lett., 21, 667 (1993)

Magnetisch beeinflusste Oberflächenformen in ruhenden, vibrierenden und tropfenden Ferrofluiden

•I. Rehberg, B. Reimann, A. Rothert, A. Tiefenau und R. Richter
Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, PSF 4120, D-39016 Magdeburg

Klassische Phänomene der Hydrodynamik erscheinen in einem neuen Licht wenn wir als Flüssigkeit eine kolloidale Suspension von magnetischen Nanopartikeln verwenden. Diese sog. Ferrofluide reagieren aufgrund ihrer super-paramagnetischen Eigenschaften empfindlich auf magnetische Gleich- und Wechselfelder. So führt ein normal zur Flüssigkeitsoberfläche angelegtes Gleichfeld oberhalb einer kritischen Feldstärke zur Ausbildung von spitzen Oberflächendeformationen, den sog. Rosensweig-Stacheln. Wir vermessen diese Oberflächendeformationen in Abhängigkeit von der Feldstärke und vergleichen mit Resultaten der analytischen und numerischen Behandlung der Instabilität.

Treten anstelle der ruhenden Flüssigkeitsoberfläche durch vertikale Vibration parametrisch erregte Oberflächenwellen, so äussert sich der Einfluss eines überkritischen Magnetfeldes in einer nicht-monotonen Dispersionsrelation. Wir vermessen die positiv- und negativdifferentiellen Äste der Dispersionsrelation in Abhängigkeit von Magnetfeld und Füllhöhe.

Schliesslich ermöglichen die super-paramagnetischen Eigenschaften von Ferrofluiden den Aufbau von Flüssigkeitsbrücken zwischen den gegenständigen Polen zweier Elektromagneten. Wir untersuchen die letzte Phase des Zerfalls der Flüssigkeitsbrücke mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und vergleichen die Berandungskurve der Brücke mit der universellen Skalenfunktion für nichtmagnetische Flüssigkeiten.

Leistungsfähigere Magnetflüssigkeiten und neue Anwendungen

•N. Buske, C. Gansau, H. Heinze, P. Nüsser, T. Kober und J. Mueller
Mediport Kardiotechnik, Wiesenweg 10, 12247 Berlin

Magnetische Flüssigkeiten(MF) sind stabile Dispersionen mit superparamagnetischen Eigenschaften, wobei in technischen Anwendungen die Wechselwirkung der MF mit äußeren Magnetfeldern genutzt wird. Die WechselwirkungskraftF_MF hängt neben der Magnetfeldstärke H und/ oder dem Magnetfeldgradienten ÑH des äußeren Magnetfeldes von der Sättigungsmagnetisierung und Suszeptibilität der MF ab. Die Wechselwirkungskraft der MF zu einem äußeren Magnetfeldgradienten ÑH ist: F_MF = M_MF V_MF ÑH (1) mit M_MF = Magnetisierung der MF am Arbeitspunkt, meist gleichzusetzen mit (M_MF)s, V_MF =Volumen, ÑH = Magnetfeldgradient des äußeren Magnetfeldes H. MF auf Basis von optimierten Kern(dc) /Hüllen(d)-Teilchendurchmessern von Magnetit und Cobaltteilchen wurden hergestellt und die erreichten hohen (M_MF)s Werte mit Berechnungen unter Berücksichtigung der Sättigungsmagnetisierung der Teilchen (M_T)s sowie des Volumenbruches F der modifizierten Teilchen verglichen: (M_MF)s = F(dc/dc+2 d) 3 (M_T)s  (2). Positioniert man die MF anstelle von Luft zwischen ungleichartigen Magnetpolen (Nord und Südpol stehen sich gegenüber), so führt das zu einer relativen Stromeinsparung R, R = (I_MF-I_a)/I_a = 1 - m^-1/2 (3) wobei m die Permeabilität der MF ist. I_MF = Spulenstrom mit MF im Spalt zwischen den Magnetpolen, I_a = Spulenstrom mit Luft im Spalt. Eine 1-Stufen-Magnetfluid-Axialpumpendichtung, die einen Druck von 0,2 bar Wassersäule aushält, wurde konstruiert. Zum anderen wurde die MF zur Leistungsverbesserung von elektromagnetischen Antrieben gemäß Gl.(3) genutzt.

Dämpfung von Oberflächenwellen auf Ferrofluiden

•Andreas Engel¹ und Hans W. Müller^2
1Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, FNW/ITP, Abt. Statistische Physik u. nichtlineare Dynamik, D-39016 Magdeburg
²Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Ackermannweg 10, D-55128 Mainz

Die Dispersions- und Dämpfungseigenschaften von Oberflächenwellen auf Fluiden sind relativ leicht experimentell zugänglich und erlauben Rückschlüsse auf die relevanten dynamischen und dissipativen Prozesse in der Flüssigkeit. Ferrofluide in einem statischen äusseren Magnetfeld senkrecht zur ungestörten Oberfläche sind dabei von besonderem Interesse, da einerseits ihre Dispersionsrelation nichtmonoton sein kann, und andererseits ein zusätzlicher, aus der Rotationsviskosität resultierender Dämpfungsbeitrag zu berücksichtigen ist.

Das Geschwindigkeitsfeld von Oberflächenwellen setzt sich zusammen aus einem Potentialströmungsanteil im Innern und einer rotationsbehafteten Strömung in den viskosen Randschichten. Durch Variation der Füllhöhe kann die Wichtigkeit des Vortikalanteils verändert werden. Im Rahmen der mesoskopischen Beschreibung von Shliomis [1] einerseits und dem hydrodynamischen Zugang von Liu [2] andererseits werden die für Ferrofluide spezifischen Zusatzbeiträge ausgewertet und miteinander verglichen.

[1] M. I. Shliomis, Sov.Phys.Usp. 17, 153 (1974)

[2] M. Liu, Phys.Rev.Lett. 70, 3580 (1993), 74, 4535 (1995)

Untersuchung der helikalen Mode bei der ersten Instabilität eines Freistrahls

•P. Rupp¹, St. Lück² und J. Peinke^2
1Abteilung Nichtlineare Phänomene, Institut für experimentelle Physik, Otto-von-Guericke Universität, Magdeburg
²Fachbereich 8 Physik, Carl-von-Ossietzky-Universität

Mit Methoden der Visualisierung und Bildverarbeitung wurden die ersten Instabilitäten eines Freistrahls von Wasser in Wasser im Bereich der kleinen Reynoldszahlen (Re < 1500) untersucht. Im Nahfeld der Duese (Düsenabstand < 60D) tritt die helikale Mode als bevorzugte Instabilität auf. Diese Mode wurde mit den Eigenschaften Frequenz, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Wellenlänge in Abhängigkeit von der Reynoldszahl charakterisiert. Die Ergebnisse bestätigen die in den neuesten numerischen Simulationen (Phys. Fluids 9(11), 3323ff., 1997 und Phys. Review E, 57, 4, 57 ff, 1998) von Danaila gefundenen Merkmale der Hopf-Verzweigung. Des weiteren stellt diese Instabilität einen wesentlichen Mechanismus für den Übergang in die Turbulenz dar, der sich in diesem Experiment im zufällig verteiltem Auftreten turbulenter Bursts darstellte.

Über Markov-Eigenschaften der Energiedissipationsrate in der Turbulenz

•Nicole Voges¹, Birgit Reisner², Christoph Renner¹ und Joachim Peinke^1
1Universität Oldenburg, Carl-von-Ossietzky-Str. 9-11, 26111 Oldenburg
²Universität Bayreuth, Universitätsstr. 30, 95440 Bayreuth

Mit statistischen Methoden soll aus Meßdaten, die in einem Freistrahlexperiment in der vollentwickelten Turbulenz aufgenommen wurden, überprüft werden, inwieweit die über eine Längenskala r gemittelte Energiedissipationsrate e_r einem Markov-Prozeß gehorcht. Um eventuelle Verzerrungen durch eine Logarithmierung der Energiedissipationsrate zu vermeiden, wurde im Gegensatz zu [1] die Dissipationsrate e_r direkt untersucht. Es konnte die Gültigkeit der Chapman-Kolmogorov-Gleichung, die eine zentrale Voraussetzung für einen Markov-Prozeß ist, bestätigt werden. Im weiteren wurden Driftterm D₁ und Diffusionsterm D₂ der resultierenden Fokker-Planck-Gleichung bestimmt. Unsere Ergebnisse bestätigen im wesentlichen die Ergebnisse in [1].

[1] A. Naert, R. Friedrich, J. Peinke: Physical Review E  56, 6, 6719 (1997)

Erzeugung lokalisierter Strukturen in Natriumdampf

•B. Schäpers, M. Feldmann, T. Ackemann und W. Lange
Institut für Angewandte Physik, Corrensstr. 2-4, 48149 Münster

In einem Experiment zur Musterbildung in der nichtlinearen Optik beobachten wir die Entstehung lokalisierter Strukturen auf dem transversalen Strahlprofil. Das Licht wird dazu mit einer Frequenz einige GHz oberhalb der Na-D₁-Linie in eine Zelle mit Natriumdampf eingestrahlt; hinter der Zelle befindet sich ein planer Spiegel, der das Licht nach einer kurzen Propagationsstrecke in den Natriumdampf reflektiert. Bei Vergrößerung der Intensität beobachten wir mit einer Kamera hinter dem Spiegel das spontane Auftreten von Intensitätsmaxima auf dem Hintergrund des Gaußschen Strahls. Die Entstehung dieser lokalisierten Strukturen ist mit Bistabilität verbunden; innerhalb eines Intervalls der Eingangsleistung lassen sie sich mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls gezielt zünden bzw. löschen. Wir untersuchen die Bedingungen, die zum Auftreten der lokalisierten Strukturen erforderlich sind, sowie die Wechselwirkung mehrerer lokalisierter Strukturen untereinander.

Die Entstehung der lokalisierten Strukturen läßt sich in numerischen Simulationen der mikroskopischen Gleichungen reproduzieren.

Charakterisierung des Übergangs zur isotropen Turbulenz bei der Nachlaufströmung eines Zylinders

•St. Lück, Ch. Renner und J. Peinke
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

In verschiedenen Entfernungen zum Zylinder wurde die Geschwindigkeit der Strömung mit X-Draht Sonden gemessen. Wir untersuchen einerseits die Statistik der Geschwindigkeit selbst als Funktion des Abstandes und andererseits die Statistik von Geschwindigkeitsinkrementen für verschiedene Längenskalen. In beiden Fällen kann gezeigt werden, dass die Statistik auch in der nicht isotropen Strömung die Markov-Eigenschaft besitzt. Die Koeffizienten der stochastischen Gleichungen werden direkt aus den Messdaten bestimmt. Diese Methode wurde in [1] für lokal homogene und isotrope Turbulenz erfolgreich angewandt. Mit diesem Verfahren kann der Übergang zur anisotropen Strömung durch eine strukturelle Änderung des ersten Kramers-Moyal-Koeffizienten (Driftterm) parametrisiert werden. Dadurch kann der Übergang in die nicht isotrope Turbulenz mit einem Phasenübergang 2. Ordnung in Beziehung gesetzt werden und somit ein neuer Ordnungsparameter zur Charakterisierung der Anisotropie eingeführt werden.

[1] J. Peinke, R. Friedrich; Phys. Rev. Let. 78 (1997)

Zick-Zack-Strukturen und Defekte in anisotroper Konvektion

•H. Zhao¹, R. Benitez², A.G. Roßberg³, J. Casademunt² und L. Kramer^1
1Physikalisches Institut, Universität Bayreuth, D-95440 Bayreuth
²University of Barcelona,Spain
³University of Kyoto, Japan

Die relevanten sekundären Instabilitäten, die das primäre Normalrollenmuster in anisotroper Konvektion in nematischen Flüssigkristallen destabilisieren, sind einerseits die Zick-Zack-Instabilität und andererseits der direkte Übergang zu Abnormalrollen (AR), bei dem der Direktor über eine Heugabelbifurkation die Strömungsebene verlässt. Durch geeignete Maßnahmen (homöotrope Randverankerung oder destabilisierendes, planares Magnetfeld) können die sekundären Instabilitäten in die Nähe der primären Schwelle heruntergezogen werden. Dann kann das System durch gekoppelte Amplitudengleichungen beschrieben werden. Wir finden, dass insbesondere im AR-Bereich Punktdefekte (Dislokationen) sich zu Defektlinien ausdehnen, welche manchmal durch eindimensionale Kinklösungen beschrieben werden. In der Tat lässt sich zeigen, dass die Kinklösung, welche in der rellen Ginzburg-Landau Gleichung instabil ist, durch die Direktormode stabilisiert werden kann. Die Defekte wirken als Nukleationskeime zwischen den symmetrieäquivalenten Abnormalrollen. In bestimmten Parameterbereichen endet das System in einem Zick-Zackzustand mit im Mittel schrägen Rollen. Bei größerem Abstand von der Schwelle tritt raumzeitliches Chaos (Defektchaos) auf.

Discrete vs. continuous turbulent cascade models

•J. Schmiegel, B. Jouault und M. Greiner
Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden

Turbulent cascade models serve to describe various aspects of the intermittent fluctuations occuring in fully developed turbulence. For their discrete and continous versions we present the full analytical solution of the multivariate n-point statistics and discuss its implications for testable observables like multiplier and wavelet correlations.

Nichtlineare Dynamik des Taylor-Couette-Systems im Fall unabhängig rotierender Zylinder

•Arne Schulz, Silja Füser, Holger Schmaljohann und Gerd Pfister
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel, Olshausenstr. 40, D-24098 Kiel

Bei dem Taylor-Couette-System handelt es sich um eines der klassischen Testsysteme für hydrodynamische Instabilitäten. Betrachtet wird die Strömung, die sich zwischen zwei konzentrischen, unabhängig voneinander rotierenden Zylindern ausbildet. Diese zeigt bei einer Variation des äußeren Kontrollparameters - der Reynoldszahl - eine Vielzahl komplexer Strömungszustände. So treten zum Beispiel neben stationären Wirbelstrukturen, den Taylor-Wirbeln, im Fall gegeneinander rotierender Zylinder auch periodisch laufende Spiralwellen als erste Instabilität auf.
Wir stellen hier präzise Meßergebnisse im sogenannten breiten Spalt vor (Radienverhältnis h = 0.5). Neben Sichtbarkeitsmessungen wird ein LDA-Systems beim rotierenden Außenzylinder angewandt, das einen tieferen Einblick in die Dynamik erlaubt.
Es wird die Auswirkung einer Störung durch einen mit konstanten Drehfrequenz rotierenden Außenzylinder auf bekannte Verzweigungssequenzen im Taylor-Couette-System untersucht und der Einfluß auf die Lage kritischer Punkte analysiert. Daneben werden im Fall gegenrotierender Zylinder experimentell bestimmte Stabilitätsbereiche der auftretenden Moden vorgestellt, die mit den Ergebnissen numerischer Rechnungen (Langford et al., Phys.Fluids 31(4)) verglichen werden.

Verzweigungstheoretische Modellierung und Experimente zur
Phasendynamik der VLF-Mode im Taylor-Couette System

•Jan Abshagen, Wiebke Müller und Gerd Pfister
IEAP, Universität Kiel, Olshausenstr. 40, D-24098 Kiel

Das Taylor-Couette System ist ein klassisches Testsystem zur Untersuchung hydrodynamischer Musterbildung. Für Radien- zu Höhenverhältnisse von G/N < 0.96 konnte in einem System mit h = 0.5 experimentell eindeutige Verzweigungssequenzen identifiziert werden. So tritt nach dem Einsatz der Taylor-Wirbelströmung bei Erhöhung der Reynoldszahl die zeitperiodische Kleine-Jet-Mode auf, welche wiederum instabil gegen sehr langsame, großskalige axialsymmetrische Strukturen wird, die entweder stationär, durch eine spontane Symmetriebrechung hervorgerufen, oder zeitperiodisch sind. Letztere wird auch als VLF-Mode ('very-low-frequency') bezeichnet. Diese Überstrukturen weisen ein reichhaltiges dynamisches Verhalten auf. Es wurden u.a. Torusverdopplungskaskaden - normale sowie inverse, Intermittenzen, chaotische homokline Dynamik und SNIPER-Verzweigungen gefunden. Wir stellen ein Modell vor, welches die experimentell gefundene Verzweigungsstruktur dieser großskaligen Strukturen im 4-Wirbelzustand vollständig wiederspiegelt. Diese Betrachtungsweise wird auch auf Zustände höherer Wirbelzahlen, welche z.T. komplexere Verzweigungssequenzen aufweisen, ausgedehnt. Zudem wird auch der Einfluß der Systemlänge auf den chaotischen Zustand selbst mittels Zeitreihenanalyse untersucht. Neben der reinen verzweigungstheoretischen Betrachtung hat sich die der Phasendynamik für hydrodynamische Systeme als sehr fruchtbar erwiesen. Daher wird ebenfalls die Dynamik der beiden Phasenvariablen der entsprechenden Strömungzustände experimentell untersucht.

Hydrodynamische Untersuchungen und Turbulenzbildung an künstlichen Herzklappen

•Julian Schwenzel, Oliver Malki und Gerd Pfister
IEAP, Christian-Albrechts-Universität Kiel, Olshausenstr.40, D-24098 Kiel

Für die Entwicklung von künstlichen mechanischen Herzklappen ist die Kenntnis der Wirbelbildung und das Druckverhalten an der Herzklappe in der Blutströmung von besonderem Interesse. Die auftretenden Wirbel können zu Schädigungen der Blutzellen führen, und Totwassergebiete, die hinter der Herzklappe entstehen, erhöhen die Thrombosegefahr. Für reproduzierbare und vergleichbare Messungen an den künstlichen Herzklappen wurde eine Versuchsanlage für stationäre Strömungen konstruiert. Verschiedene Typen von Herzklappenprothesen wurden in dieser Versuchsanlage auf ihr Druckverhalten und insbesondere ihr Strömungsfeld untersucht. Die dabei auftretende turbulente Strömung kann bisher nicht numerisch behandelt werden. Aufgrund der Komplexität der Geometrie und den zeitlich variierenden Randbedingungen kann das Druckverhalten und die Wirbelbildung nur experimentell bestimmt werden.

Bewegte Quasiteilchen in dreidimensionalen Reaktions-Diffusions-Systemen

•Andreas W. Liehr, Christian P. Schenk, Mathias Bode und Hans-Georg Purwins
Institut für Angewandte Physik, Corrensstraße 2/4, 48149 Münster

Es werden Ergebnisse zu numerischen und analytischen Untersuchungen von dreidimensionalen, dreikomponentigen Reaktions-Diffusions-Systemen vorgestellt. Es wurde ein System mit einem Aktivator und zwei Inhibitoren mit unterschiedlichen Zeit- und Diffusionseigenschaften simuliert. Für ausgewählte Parameter existieren in diesen System bewegte, lokalisierte Strukturen, sogenannte Quasiteilchen, deren Geschwindigkeit und gegenseitige Wechselwirkung durch eine Störungsrechnung vorhergesagt werden kann [1]. Wir zeigen Vergleiche zwischen numerischen Simulationen und Ergebnissen der Störungstheorie und diskutieren darüber hinaus einige Phänomene, die sich nicht im Rahmen einer Störungsrechnung beschreiben lassen. Unter anderem konnten Stöße simuliert werden, bei denen es zu einer kurzzeitigen Teilchenverschmelzung kommt.

[1] M. Or-Guil, M. Bode, C. P. Schenk, H.-G. Purwins, Spot Bifurcations in Three-Component Reaction-Diffusion-Systems: The Onset of Propagation, Phys. Rev. E 57(6), 6432 (1998)

Ein Reaktions - Diffusions - Modell zur Beschreibung von Elektrolumineszenz - Strukturen in wechselspannungsgetriebenen ZnS:Mn Dünnfilm - Schichten

•A. Maier, H. Engel und E. Schöll
Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Berlin, Hardenbergstraße 36, 10623 Berlin

Wir stellen ein dreikomponentiges Reaktions - Diffusions - Modell vor, welches beobachtete Elektrolumineszenz - Strukturen in mangandotierten Zinksulfid - Filmen unter Wechselspannungsanregung beschreibt. Es besteht aus einem Aktivator (pro Halbperiode transferierte Ladung q) und zwei Inhibitoren (positive Raumladung r, sowie lokale Temperatur q). Wir finden Fronten, Pulse, Targetpatterns, Filamentcluster und Spiralwellen. Die numerischen Simulationsergebnisse werden mit experimentell beobachteten Strukturen [1,2] verglichen.

[1] H. Rüfer, V. Marrello, A. Onton, J. Appl. Phys. 51 (2), 1163 (1980)

[2] S. Zuccaro, Diplomarbeit, Universität Münster, 1996

Instabilitäten von Spiralwellen in chemischen
und biologischen Reaktions-Diffusions-Systemen

•Markus Bär , Martin Falcke und Michal Or-Guil
Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Nöthnitzer Str. 38, 01187 Dresden

Rotierende Spiralwellen werden in einer Vielzahl musterbildender Nichtgleichgewichtssysteme in der Chemie und Biologie beobachtet. Für gegebene äußere Bedingungen besitzen Spiralwellen eine typische Wellenlänge und Geschwindigkeit. In einigen Fällen werden diese Spiralen im Experiment für bestimmte Bedingungen instabil und raumzeitlich chaotische Muster entstehen. Anhand eines einfachen Aktivator-Inhibitor-Modells sowie eines Modells zur Ausbreitung intrazellulärer Kalziumwellen untersuchen wir die Instabilität von Spiralen mit Hilfe numerischer Simulationen und Stabilitätsanalyse. Der wesentliche Grund für die beobachteten Spiralinstabilitäten liegt darin, daß die selektierte Wellenlänge, zu einer absolut instabilen periodischen Welle korrespondiert. Dabei können wir zwei Fälle unterscheiden, die phänomenologisch dem Aufbrechen der Spiralen im Zentrum oder weit davon entfernt entsprechen.

Dynamical Behaviour in the Oregonator Model with Different Diffusion Coefficients

Klaus Kassner¹, •Evgueni P. Zemskov¹ und Vladimir S. Zykov^2
1Institut für Theoretische Physik, Otto-von-Guericke-Universität, Universitätsplatz 2, D-39106 Magdeburg
²Institut für Experimentelle Physik, Otto-von-Guericke-Universität, Universitätsplatz 2, D-39106 Magdeburg

The diffusion coefficients are practically equal for the reactants of such well-studied chemical reaction-diffusion systems as the Belouzov-Zhabotinsky reaction. Applying a stochastic electric field, one enhances the existing thermal stochastic motion of the reacting ions. For a sufficiently slow physical-chemical process, this enhanced stochastic motion of the ions appears similar to an enhanced diffusivity of these particles. The oregonator model with different diffusion coefficients is considered. The propagating wave solutions for reagent concentrations are obtained and their stability is studied. The influence of experimental parameters is discussed.

Globale und lokale Billard-Leveldynamik: Grenzen der Universalität

•M. Barth, U. Kuhl und H.-J. Stöckmann
Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg

Leveldynamik-Messungen wurden an einem Sinai-Mikrowellenbillard als Funktion einer Länge und an einem Rechteckbillard mit zufällig verteilten Streuern als Funktion des Ortes eines Streuers durchgeführt. Im ersten Fall ändert die Verschiebung einer Wand die Feldverteilung global; Geschwindigkeits-Verteilung und -Autokorrelationsfunktion werden durch universelle Funktionen beschrieben, die von Simons und Altshuler abgeleitet wurden [1].

Bei der zweiten Art Leveldynamik ändert die Verschiebung eines Streuers die Feldverteilung nur lokal. Hier wird eine andere Art universeller Korrelationen beobachtet, die unter der Annahme, dass Wellenfunktionen in chaotischen Systemen durch zufällige Überlagerung ebener Wellen beschrieben werden können, berechnet werden kann.

[1] B.D. Simons and B.L. Altshuler, Phys. Rev. B 48, 5422 (1993)

Critical Statistics for Two Interacting Particles in a Disordered Chain [1]

•Dietmar Weinmann¹, Xavier Waintal² und Jean-Louis Pichard^2
1Institut für Physik, Universität Augsburg, D-86135 Augsburg
²CEN Saclay, SPEC, F-91191 Gif-sur-Yvette

For two particles in a disordered chain of length L with on-site interaction U, a duality transformation maps the behavior at weak interaction onto the behavior at strong interaction. Around the fixed point of this transformation, the interaction yields a maximum mixing of the one body states. When L » L1 (the one particle localization length), this mixing results in weak chaos accompanied by multifractal wave functions and critical spectral statistics, as in the one particle problem at the mobility edge or in certain pseudo-integrable billiards. In one dimension, a local interaction can only yield this weak chaos but can never drive the two particle system to full chaos with Wigner-Dyson statistics.

[1] cond-mat/9801134

Incipient localisation in the Anderson model

•V. Uski¹, B. Mehlig², R. A. Römer¹ und M. Schreiber^1
1Institut für Physik, Technische Universität, D-09107 Chemnitz
²Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Nöthnitzer Str. 38, D-01187 Dresden

We study statistical properties of the eigenfunctions in the Anderson model of localisation. In the metallic regime, these are described by the Gaussian ensembles of random matrix theory. As disorder is increased, incipient localisation causes deviations from the random matrix behaviour [1,2]. We have computed wave functions in this regime in the one-, two- and three-dimensional Anderson models at zero and finite magnetic field, and have analysed deviations from the predictions of random matrix theory in detail. This allows us to compare with analytical predictions based on the optimal fluctuation method [1] and the non-linear s-model [2].
I. E. Smolyarenko and B. L. Altshuler, Phys. Rev. B 55, 10451 (1997).
[2] Y. V. Fyodorov and A. D. Mirlin, Phys. Rev. B 51, 13403 (1995).

Phononeninduzierte Quantenschwebungen in einem Röntgeninterferometer

•H. Jex und G. Rode
Universität Ulm

Die Beobachtung von Quantenschwebungen mit Röntgenstrahlen erfordert zunächst die Präparation kohärenter Teilstrahlen, die mit einem Röntgeninterferometer erzeugt werden. Wir betreiben ein LLL-Interferometer mit geteiltem Spiegelkristall, wobei an jedem Spiegelsteg außen ein X-Schnitt Ultraschallquarz (Frequenz f » 10 MHz) angeklebt ist. Läßt man die beiden kohärenten Teilstrahlen mit Phononen unterschiedlicher Quantenenergie hf₁ und hf₂ in Wechselwirkung treten, so führt die Superposition der beiden Röntgenteilstrahlen im Interferometer zu Quantenschwebungen mit einer Schwebungsfrequenz Df = f₁ - f₂, die in zeitaufgelösten Interferenzexperimenten beobachtet wird. Wir messen die zeitliche Korrelation der Phase der Schallwellen mit der Ankunftszeit der Röntgenphotonen. Mit Cu-K_a1-Strahlung der Energie E = 8.048 keV werden so Energiedifferenzen von 397 atto-eV ( = 3.97 ×10^-16eV) beobachtet. Die Energieempfindlichkeit der Apparatur beträgt dE = 15.6 zepto-eV ( = 1.56 ×10^-20eV).

Ab-initio-Gitterdynamik von Übergangsmetallen und Übergangsmetallverbindungen

•M. Sinzinger, M. Lichtinger, P. Pavone und D. Strauch
Institut für Theoretische Physik, Universität Regensburg, D-93040 Regensburg

Im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie wurden statische und dynamische Eigenschaften der Übergangsmetalle Titan und Zirkon sowie der Hartstoffe ZrC, ZrN, NbC und NbN mit ab-initio-Methoden untersucht. Mit Hilfe eines Plane-Wave-DFT-Formalismus wurden Gitterparameter, elektronische Bandstrukturen und Valenzladungsdichten berechnet. Eine „ gaussian smearing“ -Methode wird verwendet, um die innerhalb des Valenzbandes liegende Fermienergie korrekt zu behandeln. Die um gaussian smearing erweiterte Dichtefunktionalstörungstheorie wurde benutzt, um für die untersuchten Metalle Phononendispersionen und Ein-Phononen-Zustandsdichten zu berechnen. Besonderes Augenmerk wurde auf den Vergleich verschiedener Verfahren zur Konstruktion der verwendeten Pseudopotentiale gelegt. Dabei zeigt sich ein wesentlicher Einfluß nichtlinearer Rumpfkorrekturen auf die Übereinstimmung der Ergebnisse mit Meßwerten aus inelastischer Neutronenstreuung. Schließlich wurde mit Hilfe eines einfachen Modells der Einfluß anharmonischer Effekte auf die Dynamik der Hochtemperaturphasen von Zr und Ti betrachtet.

Gitterdynamik der frühen Übergangsmetalle in der bcc-Struktur

•J. Scheipers, W. Schirmacher und J. Neuhaus
Phys.-Dept. E13, TU München, 85747 Garching

Es werden numerische Ergebnisse einer neuen anharmonischen Theorie für die Gitterdynamik [1] der frühen Übergangsmetalle in der bcc-Struktur vorgestellt. Die statischen Parameter, Phonondispersion und Phonon-Phonon-Kopplungskonstante, ausgedrückt durch statische Auslenkungs-Korrelationsfunktionen, sind mit Monte-Carlo-Technik berechnet worden. Die hierdurch erreichte vollständige Renormierung der Phononenfrequenzen ist besonders wichtig für den niederenergetischen T₁[xx0]-Ast in der Hochtemperaturphase der frühen Übergangsmetalle. Die Bewegungsgleichung für den Phononenpropagator wird in Modenkopplungsnäherung gelöst. Damit ergeben sich Linienbreiten, die mit den experimentellen Werten vergleichbar sind.

Es wird ein Paarpotentialmodell für die Wechselwirkung in den Übergangsmetallen vorgestellt. Dieses Modell verknüpft Anomalien in den Phonondispersionen mit den strukturellen Eigenschaften der Übergangsmetalle.

[1] J.Scheipers, W.Schirmacher, Z.Phys. B 103 547 (1997)

Phononenanomalien in der Formgedächtnislegierung CuAlMn

•Karl Nicolaus¹, Jürgen Neuhaus¹, Winfried Petry¹, Bernard Hennion² und Markus Zolliker^3
1Technische Universität München, Physikdepartment E13, James-Franck-Str.1, 85747 Garching
²Laboratoire Léon Brillouin, C.E. de Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette Cedex
³Labor für Neutronenstreuung, ETH Zürich, CH-5232 Villigen PSI

CuAlMn zeigt den Formgedächtniseffekt, der direkt mit der strukturellen (martensitischen) Phasenumwandlung in dieser Legierung zusammenhängt. Die stark von der Zusammensetzung abhängigen Umwandlungstemperaturen des Cu_3-x-yAl_xMn_y Systems wurden mit Widerstandsmessungen bestimmt. Zur Untersuchung der Dynamik wurden an Einkristallen mit unterschiedlicher Zusammensetzung (x = 0.96-1.08, y = 0.2-0.32) inelastische Neutronenstreuexperimente durchgeführt. Es wurden komplette Phononendispersionen sowohl in der L2₁ geordneten, als auch der krz ungeordneten Hochtemperaturphase gemessen. Besonders intensiv wurde der T₁[xx0]-Ast in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Temperatur untersucht. Alle Proben zeigten im Gegensatz zur übrigen Dispersion eine anomale Absenkung der T₁[xx0]-Moden bei Annäherung an den Phasenübergang. Diese Moden stehen in direktem Zusammenhang mit der strukturellen Beziehung zwischen Hoch-und Tieftemperaturphasen.

Einfluß der Nichtdiagonalelemente der phononischen Selbstenergie auf die Dynamik von Realkristallen

•B. Günther¹ und I. Pfeiffer^2
1TU Ilmenau, Institut für Physik
²FSU Jena, Institut für Festkörpertheorie und Theoretische Optik, Fröbelstieg 1, D-07743 Jena

Auf der Basis einer quantenmechanischen Vielteilchentheorie unter Verwendung von Matsubara-Funktionen wird mit Hilfe einer Feynmanschen Diagramm-Technik das Temperaturverhalten von Linienbreiten und Frequenzverschiebung als Real- und Imaginärteil der phononischen Selbstenergie anharmonischer Realkristalle berechnet. Als Anwendungsbeispiel dazu dient ein isotopisch ungeordneter ionischer Kristall. Es zeigt sich, daß die Nebendiagonalelemente der anharmonischen Selbstenergie das Temperaturverhalten der optisch aktiven Schwingungsmoden beeinflußen und nicht in jedem Fall vernachlässigt werden können.

Anharmonizität von Fe₇₂Pt₂₈ gemessen mit inelastischer resonanter nuklearer Absorption von Synchrotron Strahlung

•N. Wiele¹, H. Franz², A.I. Chumakov³ und W. Petry^1
1Physik Department E13, TU München, D-85747 Garching
²HASYLAB at DESY, Notkestr. 85, D-22603 Hamburg
³ESRF, BP 220, F-38043 Grenoble CEDEX, France

Phononenzustandsdichten werden in der Regel aus Messungen der inkohärenten Neutronenstreuung bestimmt oder aus kohärenten Streusignalen mittels Anpassung an Phononendispersionen berechnet. Bei der inelastischen nuklearen Absorption von Synchrotronstrahlung kann die Phononenzustandsdichte ohne Näherungen direkt gemessen werden.

Aus der Messungen von Phononendispersionen mit Neutronen ist bekannt, daß der TA₁₁₀-Astes bei geordnetem Fe₇₂Pt₂₈ bei sinkender Temperatur erweicht. Dieses anharmonische Verhalten konnte auch mit inelastischer resonanter nuklearer Absorption (IRNA) mit sehr guter Statistik nachgewiesen werden.

Mit IRNA wird die partielle Phononenzustandsdichte von Fe bestimmt. Durch den direkten Vergleich der Phononenzustandsdichte, welche mit Neutronen bestimmt wurde (Flugzeitspektometer), kann auf die partiellen Phononenzustandsdichte von Pt geschlossen werden, die mit Neutronenstreuung nicht zugänglich ist.

Zerfall Selbstlokalisierter (Solitärer) Moden durch Quantendekohärenz

•A. Sauerzapf und M. Wagner
Institut für Theoretische Physik, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 57, D-70550 Stuttgart

Wie in letzter Zeit von mehreren Forschungsgruppen nachgewiesen wurde, gibt es in bestimmten anharmonischen Gittern stabile selbstlokalisierte Moden (Selbstlokalisierte Solitonen). Insbesondere wurde dies für die quartische Fermi-Pasta-Ulam Kette (FPU-Kette) gezeigt. Diese Moden erweisen sich im klassischen Sinne als stabil, d.h. ihr Zerfall muß quantenhafter Natur sein. Wie in früheren Arbeiten gezeigt, kann man diese Moden durch eine unitäre Transformation auf die Dynamik eines einzelnen quartischen Oszillators zurückführen, der von den restlichen Freiheitsgraden des Gitters entkoppelt ist [1, 2]. Durch diese Reduktion werden die Perspektiven eines Quantenzerfalls in besonderer Weise deutlich: Der Zerfall sollte hauptsächlich durch die Unmöglichkeit eines rein monochromatischen quantalen kohärenten Zustandes beim quartischen Oszillator zustandekommen. Da die Eigenzustände des quartischen Oszillators nicht äquidistant sind, kann das Spektrum einer Anregung mehrerer phasengekoppelter Eigenzustände auch Frequenzen enthalten, die im Bereich der akustischen Moden der Kette liegen. Überdies wird durch diese Frequenzüberlagerung die Entkopplungsbedingung der solitären Anregung an die Phononen verletzt, so daß insgesamt ein Zerfallsprozeß zustandekommt, der rein quantenhafter Natur ist. Im vorliegenden Beitrag beschreiben wir diesen Zerfall durch eine selbstkonsistente Green-Funktions-Prozedur.

[1] M. Wagner, A. Sauerzapf, Physica D 119, 227 (1998)

[2] A. Sauerzapf, M. Wagner, J. Lumin. 76 & 77, 599 (1998)

Vortices in Quantum Spin Systems

•John Schliemann und Franz G. Mertens
Physikalisches Institut, Universität Bayreuth

We examine spin vortices in ferromagnetic quantum Heisenberg models with planar anisotropy on two-dimensional lattices. The symmetry properties and the time evolution of vortices built up from spin-coherent states are studied in detail. Although these states show a dispersion typical for wave packets, important features of classical vortices are conserved. Moreover, the results on symmetry properties provide a construction scheme for vortex-like excitations from exact eigenstates, which have a well-controlled time evolution.
Our approach works for arbitrary spin length both on triangular and square lattices.

Flußgleichungen für das Spin-Boson-Modell im Ohmschen Bad

•Frieder Kalisch und Andreas Mielke
Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg, Philosophenweg 19, 69120 Heidelberg

In diesem Beitrag wird dargestellt, wie man das Spin-Boson-Modell im Ohmschen Bad mit Hilfe von Fluß gleichungen (siehe [1]) untersuchen kann. Dazu werden Fluß gleichungen für die symmetrisierte Korrelationsfunktion aufgestellt. Die Fluß gleichungen werden numerisch aufintegriert. Für die numerische Behandlung der Fluß gleichungen werden verschiedene Möglichkeiten zur Diskretisierung untersucht. Es werden Methoden zur Gitterverfeinerung vorgestellt, die eine beträchtliche Steigerung der Genauigkeit der numerischen Ergebnisse ermöglicht. In früheren Rechnungen zu den Flußgleichungen für das Spin-Boson-Modell erhielt man für die Korrelationsfunktion bei kleinen Frequenzen einen zu groß en Wert (siehe [2]). Es werden verschiedene Ansätze vorgestellt, wie man dieses Infrarotproblem angehen kann. Dazu werden erweiterte Flußgleichungen vorgestellt, bei denen Hauptwertintegrale vermieden werden können. Für diese Fluß gleichungen wird die Korrelationsfunktion berechnet. Es wird ein Spinerwartungswert berechnet, der in die Fluß gleichungen eingeht. Mit Hilfe eines verbesserten Ansatzes für den Spinerwartungswert gelingt es, das Infrarotproblem zu umgehen.

[1] F. Wegner: Ann. Physik (Leipzig) 3 (1994), S. 77

[2] S. K. Kehrein, A. Mielke: Ann. Physik (Leipzig) 6 (1997), S. 90

Zwei gekoppelte dissipative Quantensysteme

•Stefan Krouchev und Andreas Mielke
Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg, Philosophenweg 19, 69120 Heidelberg.

Mittels des von Wegner in [1] entwickelten Fluß gleichungsverfahrens zur kontinuierlichen Diagonalisierung von Hamiltonoperatoren untersuchen wir gekoppelte dissipative Quantensysteme (siehe auch [2]). Zuerst wird ein exakt lösbares Modell - zwei gekoppelte Oszillatoren und Bad - untersucht. Für diesen Fall erhielten wir eine exakte Fluß gleichung, die das Spektrum mit der Dynamik verbindet. Das Spektrum, die effektive Wechselwirkung über das Bad und die Korrelationsfunktionen werden angegeben. Der Spezialfall des Ohmschen Bades wird explizit behandelt. Für ein Modell gekoppelter Zweiniveausysteme und Bad werden die effektive Wechselwirkung l und die Renormierung der Tunnelfrequenzen in zweiter Ordnung in der Kopplung k berechnet. Dabei werden typische Näherungen durchgeführt. Im Spezialfall eines entarteten Systems im Ohmschen Bad bei T = 0 und schwacher Wechselwirkung l fanden wir die Renormierung der effektiven Wechselwirkung und Korrekturen für die Renormierung der Tunnelfrequenz in vierter Ordnung in der Kopplung k. Für eine ferromagnetische Wechselwirkung erhielten wir einen unstetigen Übergang zum inkohärenten Tunneln, der für Kopplungen k < 1 eintritt. Für antiferromagnetische Kopplung ist der Übergang unstetig und findet bei k = 1 statt.

[1] F. Wegner: Ann. Physik (Leipzig) 3, 77 (1994).

[2] S. K. Kehrein und A. Mielke: Ann. Physik (Leipzig) 6, 90 (1997).

Hochtemperaturentwicklung für quasiperiodische Ising-Modelle

•P. Repetowicz, U. Grimm und M. Schreiber
Institut für Physik, Technische Universität, D-09107 Chemnitz

In den letzten Jahren sind magnetische Eigenschaften von Quasikristallen verstärkt in das Interesse experimenteller Untersuchungen gerückt. Als einfaches Modell einer magnetischen Ordnung in einem quasiperiodischen System betrachten wir Ising-Modelle auf zweidimensionalen quasiperiodischen Parkettierungen. Wir berechnen die führenden Terme der Hochtemperaturentwicklung der Zustandssumme im feldfreien Fall für quasiperiodische Modelle sowie für deren periodische Approximanten. Für die quasiperiodischen Systeme verwenden wir eine angepaßte graphische Entwicklung, wobei die Beiträge der einzelnen Graphen mit den entsprechenden Auftrittshäufigkeiten der Graphen im quasiperiodischen Muster gewichtet werden. Dagegen beruhen unsere Ergebnisse für die periodischen Approximanten auf einem exakten Resultat, das die Zustandssumme eines Ising-Modells auf einem beliebigen zweidimensionalen Graphen durch eine Determinante ausdrückt [1], die man im Fall eines periodischen Graphen im Prinzip explizit berechnen kann. Diese Methode erlaubt auch die Berechnung anderer physikalischer Größen, beispielsweise der Magnetisierung.

[1] N. P. Dolbilin, J. M. Zinowiev, A. C. Mishchenko, M. A. Shtanko und M. I. Shtogrin, The Kac-Ward determinant, erscheint in: Proceedings of the Steklov Institute of Mathematics.

Magnonen Zustände in amorphen Ferromagneten

•K. Handrich und R. Öttking
Technische Universität Ilmenau

Aus der strukturgemittelten Greenschen Funktion für amorphe Heisenberg - Ferromagnete innerhalb des Matsubara - Kaneyoshi - Formalismus in Tjablikow - Näherung folgt als Konsequenz der amorphen Struktur sowohl eine Änderung der Zustandsdichte D(E) der gewöhnlichen langwelligen Magnonen als auch das Auftreten von Amorphonen als zusätzlicher Elementar - Anregung. Letztere gewährleisten die Erhaltung der Gesamtzahl der Zustände. Fernerhin werden die lokalen Eigenschaften der Amorphonen untersucht. Dabei werden die experimentell im Kleinwinkelbereich auftretenden typischen statischen Strukturfaktoren durch geeignete analytische Ausdrücke approximiert und die numerisch erhaltenen Ergebnisse für unterschiedliche Strukturfaktoren einander gegenübergestellt.

Dynamische Korrelationen in allgemeinen Spin-1/2-XX-Ketten

•Michael Vogel und Joachim Stolze
Institut für Physik, Universität Dortmund, 44221 Dortmund

Für offene Spin-1/2-XX-Ketten mit beliebiger Kopplung zwischen nächsten Nachbarn werden dynamische xx- und zz-Paarkorrelationen bei beliebiger Temperatur berechnet. Der Einfluß von inhomogenen (beispielsweise alternierenden oder ungeordneten) Kopplungen auf die Spindynamik wird untersucht.

Dynamische Domänen in ferromagnetischen Filmen

Katherine Mayes und Timm Plefka
Theoretische Festkörper Physik, Technische Universität Darmstadt

The spatiotemporal structure formation problem is investigated in the region far above the transverse ferromagnetic resonance instability. The investigations are based on the dissipative Landau-Lifshitz equation and have been performed for several models which take external fields, isotropic exchange fields, anisotropy fields and dipolar fields into consideration. As a comon feature, the numerical simulations for these models exhibit stationary domain structure in the rotating frame. Employing analytical methods, characteristic elements of this structures can be explained. Dynamical domains have also been found experimentally in film materials and the problems in relating experiment and theory are discussed.

Cluster Monte Carlo Simulationen zum kritischen Verhalten des Random Anisotropy XY-Modells

•U.K. Rößler
IFW Dresden

Eine Erweiterung des Wolff-Cluster Monte Carlo Algorithmus für Spinsysteme in ungeordneten Potentialen wird vorgestellt. Die Effizienz des Algorithmus wird für ferromagnetisch gekoppelte random anisotropy Modelle mit zweikomponentigen Spins (XY-Modell) und uniaxialen isotrop verteilten Anisotropien in d=2 (d=3) Dimensionen auf einfach quadratischen (kubischen) Gittern getestet. Für Modelle mit Verhältnis von Anisotropiestärke D zur Austauschkonstanten J von D/J=0.5 (d=2) und D/J=1.0 (d=3) reduziert der Algorithmus das Langsamwerden im kritischen Bereich deutlich und ist sehr effizient. Optimierte Algorithmen zeigen in d=3 einen dynamischen Exponenten z < 1.0 für diese Modelle. Der Algorithmus wurde zusammen mit Histogramm-Methoden angewandt, um kritische Exponenten für dieses uniaxiale XY-random anisotropy Modell in d=3 aus einer finite size scaling Analyse zu erhalten. Die aus den Simulationsdaten erhaltenen numerischen Schätzwerte der Exponenten für Korrelationslänge, Suszeptibilität und Magnetisierung unterscheiden sich nicht von denen des XY-ferromagnetischen Phasenübergangs. Der Exponent für die spezifische Wärme ist aber endlich mit a > 0.

Depinning-Übergang des Zufallsfeld-Ising Modells bei endlichen Temperaturen

•L. Roters, A. Hucht, S. Lübeck, U. Nowak und K. D. Usadel
Theoretische Physik, Gerhard-Mercator-Universität, 47048 Duisburg

Wir betrachten den Depinning-Übergang einer getriebenen Grenzfläche anhand des dreidimensionalen Zufallsfeld-Ising Modells mit eingeforener Unordnung bei endlichen Temperaturen. Die von uns durchgeführten Monte Carlo Simulationen basieren auf einem einfach kubischen Gitter mit antiperiodischen Randbedingungen und die Bewegung der Grenzfläche erfolgt in [111]-Richtung. Durch Analyse der zeitlichen Veränderung der Magnetisierung kann die Grenzflächengeschwindigkeit bestimmt werden, die im allgemeinen als Ordnungsparameter des Depinning-Übergangs betrachtet wird. Die von uns bestimmten kritischen Exponenten des Phasenübergangs werden mit den Vorhersagen einer dynamischen k-Raumrenormierung verglichen.

Zur analytischen Behandlung stochastischer Delaydifferentialgleichungen

•J. Hamm und A. Wunderlin
Institut für Theoretische Physik I, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 57/4, 70550 Stuttgart

Bei der phänomenologischen Modellierung von komplexen Systemen müssen zum Veständnis der Dynamik vielfältige Systemeigenschaften berücksichtigt werden. Dazu zählen auch zeitlich verzögerte Rückkopplungen, die in Form von Gedächtnisgliedern auftreten. Wenig untersucht ist in diesem Zusammenhang der Einfluß von Fluktuationen, die in den vorgegebenen Gleichungen durch Rauschkräfte repräsentiert werden. Es sollen theoretische Konzepte vorgestellt werden, die eine analytische Behandlung von stochastischen Delaydifferentialgleichungen weiterführen. Diese Konzepte basieren auf einer Beschreibung der Dynamik in einem unendlich dimensionalen Funktionenraum. Sie beeinhalten eine Erweiterung der bekannten stochastischen Theorien. Anhand von konkreten Beispielen wird die Bedeutung dieser Konzepte demonstriert und durch numerische Simulationen ergänzt.

Dipolar anisotrope Spin-Fluktuationen in Heisenberg Ferromagneten: Skalenverhalten der Linienbreiten unterhalb der Curie-Temperatur

•D. Görlitz¹, P. Böni² und J. Kötzler^1
2Labor für Neutronenstreuung ETH & PSI, Villigen, Schweiz
¹
Institut für Angewandte Physik + Zentrum für Mikrostrukturforschung, Universität Hamburg

Die Auswirkungen der anisotropen Dipol-Dipol-Wechselwirkung auf die Dynamik der Spin-Fluktuationen im paramagnetischen Bereich von Heisenberg Ferromagneten gilt als experimentell [1] und theoretisch verstanden [2]. Unterhalb von T_c kommt es zu einem komplexen Zusammenspiel der verschiedenen Magnetisierungsmoden. Hierfür existieren bisher weder theoretische Vorhersagen noch experimentelle Daten für die Dämpfung der Fluktuationen.     Mit Hilfe inelastischer Streuung polarisierter Neutronen im domänenfreien Zustand von EuS haben wir die Dynamik der parallel zur Magnetisierung M_z transversalen Fluktuationen im durch die dipolare Wellenzahl q_d charakterisierten Bereich q < q_d untersucht. Eine Analyse der von der Korrelationslänge x abhängenden, mit 1/(xq)² abnehmenden Intensität des zentralen Peaks und seiner Linienbreite G_t(q,T) liefert das überraschende Ergebnis, daß die G_t(q,T) quantitativ dasselbe Skalenverhalten G_t(q,T) = L q^2.5 g_t befolgen wie im paramagnetischen Bereich. Interessanterweise stimmt die Skalenfunktion g_t = g_t(1/(xq),q_d/q)) mit der von E. Frey und F. Schwabl im Rahmen von Modenkopplungsrechnungen oberhalb von T_c ermittelten Funktion [2] überein.

[1] P. Böni et al., PRB 43, R8755 (1991)

[2] E. Frey and F. Schwabl, Z. Phys. B 71, 355 (1988)

Konservatives SOC-Modell mit einem Freiheitsgrad
und dissipative SOC-Systeme

•Jörn Davidsen, Jan Nagler, Christoph Hauert und Heinz Georg Schuster
Institut f. Theoretische Physik, Leibnizstr. 15, D-24098 Universität Kiel

Systeme, die selbstorganisierte Kritikalität aufweisen, engl.
self-organized criticality (SOC), liefern Einblicke in die Physik von Lawinen, die Dynamik von Erdbeben und Flu in Hochtemperatursupraleitern. SOC-Modelle besitzen im allgemeinen sehr viele Freiheitsgrade und lassen sich daher nur schwer analytisch behandeln. Wir stellen ein SOC-Modell vor, daß  auf das wesentliche reduziert nur noch einen Freiheitsgrad besitzt und sich daher exakt lösen läß t. Wir untersuchen die Dynamik und Stabilität dieses und anderer Modelle gegenüber geziehlten Störungen, welche insbesondere die Lawinendauern beeinfluß en.

Universelle Skalenamplituden in drei Dimensionen: das Ising-Modell auf Kugelschalen

•Martin Weigel und Wolfhard Janke
Institut für Theoretische Physik, Universität Leipzig, Augustusplatz 10/11, 04109 Leipzig

Während die Ausnutzung der konformen Invarianz von Systemen am Punkt eines kontinuierlichen Phasenübergangs in zwei Dimensionen für viele Systeme eine vollständige Bestimmung des Gehalts an Skalenoperatoren erlaubt, ist dies in drei Dimensionen aufgrund der endlichen Dimension der konformen Gruppe nicht möglich. Ein prominentes Ergebnis dieses Konzeptes in 2D sind Skalenrelationen der Form x_i = AL/x_i, die das Skalenverhalten der Korrelationslängen x_i primärer Operatoren durch die zugehörigen Skalendimensionen x_i ausdrücken. Cardy [1] hat einen Ansatz vorgeschlagen, zumindest dieses wichtige Ergebnis auf dreidimensionale Systeme zu verallgemeinern. Eine numerische Überprüfung dieser Vermutung gestaltet sich schwierig, da die zugrundeliegenden Geometrien S¹×IR nicht triangulierbar sind. Der Versuch, die Sphären durch platonische Körper zu diskretisieren [2] scheitert an der begrenzten Anzahl von Gitterpunkten. Wir präsentieren die Ergebnisse einer Wolff-Cluster Monte-Carlo-Simulation auf nicht-regulären Approximationen der Sphäre, die Cardys Vermutung bestätigen.

[1] J. Cardy, J. Phys. A18, L757 (1985).

[2] F.C. Alcaraz, H.J. Herrmann, J. Phys. A20, 5735 (1987).

Crossover von dipolaren Magneten in begrenzter Geometrie

•M. Bulenda, U.C. Täuber und F. Schwabl
Institut für Theoretische Physik, Physik-Department der Technischen Universität München, James-Franck-Straße, D-85747 Garching

Wir untersuchen das statische kritische Verhalten einer uniaxialen magnetischen Schicht endlicher Dicke unter Berücksichtigung der magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Es wird ein Renormierungsschema eingeführt, das in der Lage ist, Übergänge im kritischen Verhalten zu berechnen, die zwischen Fixpunkten der Renormierungstransformation ablaufen, die durch unterschiedliche Systemdimensionen, unterschiedliche obere kritische Dimensionen und unterschiedliche analytische Struktur des Propagators gekennzeichnet sind. Damit werden in Abhängigkeit von Dicke der Schicht und Stärke der Dipol-Wechselwirkung im Vergleich zur Austauschwechselwirkung Übergänge im kritischen Verhalten berechnet, die zwischen den Regimes ablaufen, in denen entweder die Austausch- oder die Dipol-Wechselwirkung dominiert, bzw. in denen sich das System zwei- oder dreidimensional verhält. In den Grenzfällen werden die bekannten Ergebnisse für die kritischen Exponenten reproduziert, im Fall einer zweidimensionalen Schicht mit der leichten Achse in der Schichtebene zum ersten Mal angegeben. Für den Fall einer starken Anisotropie in Richtung der Systemnormalen wird die Vorhersage einer inhomogenen Tieftemperaturphase bestätigt.

Kritische Dynamik von inkommensurablen Phasenübergängen und NMR-Experimente

•B. A. Kaufmann, F. Schwabl und U. C. Täuber
Institut für Theoretische Physik, Physik-Department der Technischen Universität München, James-Franck-Straße, D - 85747 Garching

Wir untersuchen die kritische Dynamik von Kristallen, die einen strukturellen Phasenübergang zweiter Ordnung von einer normal geordneten Hochtemperaturphase in eine inkommensurabel modulierte Tieftemperaturphase zeigen. Dabei geben wir eine allgemeine Beschreibung der kritischen Dynamik dieser Systeme. Ein Beispiel solcher Systeme sind die Kristalle der A₂BX₄-Familie.

Mit Hilfe der Renormierungsgruppentheorie werden die Phasen oberhalb und unterhalb der kritischen Temperatur T_I untersucht. Oberhalb von T_I wird das Crossover-Verhalten vom kritischen Bereich zum klassischen Bereich analysiert. Dabei gehen wir besonders auf die Breite des kritischen Bereichs ein. In der inkommensurabel modulierten Phase wird die Kopplung der Ordnungparameter-Moden in Ein-Loop-Störungstheorie betrachtet. Dabei untersuchen wir den Einfluß der Goldstone-Anomalien auf experimentell zugängliche Größen. Wir diskutieren weiterhin deren Zusammenhang mit dem gelegentlich postulierten Phasonengap.

Die Theorie kann auf eine Reihe von Experimenten angewendet werden. Hier sollen speziell Kernresonanz-Untersuchungen (NMR) analysiert werden. Dabei finden wir sehr gute Übereinstimmungen der Theorie mit den Messungen von dynamischen Größen und wir können einige Fragen, die in der Literatur seit einiger Zeit diskutiert werden, klären.

[1] B. A. Kaufmann, F. Schwabl, and U. C. Täuber, cond-mat/9811167

Spinodale Entmischung in dünnen Filmen

•F. Eurich, W. Dieterich, H. P. Fischer und P. Maass
Fakultät für Physik, Universität Konstanz, 78434 Konstanz.

Wir untersuchen die Auswirkungen von geometrischen Begrenzungen auf spontane Entmischungsprozesse im Rahmen von kinetischen Ising-Modellen und zeitabhängigen Ginzburg-Landau Gleichungen. In der Nähe der begrenzenden Wände treten neue Zeit- und Längenskalen auf, auch zeigen sich charakteristische Oszillationen im lateralen Strukturfaktor als Funktion des Wandabstandes z [1]. Aus einer Stabilitätsanalyse der Kontinuumsgleichungen ergibt sich, daß in generischen Fällen eine kritische Filmdicke L_c existiert, unterhalb der keine spinodale Entmischung möglich ist. Mit abnehmender Filmdicke L divergieren bei Annäherung an L_c die laterale Entmischungslänge und die charakteristische Entmischungszeit [2]. Ein neu entwickeltes numerisches Verfahren bestätigt diese Aussagen in zwei Dimensionen und sagt für späte Zeiten einen Übergang zu eindimensionalem Coarsening vorher. Unsere Ergebnisse werden in Zusammenhang mit Experimenten an Polymermischungen diskutiert.

[1] H. P. Fischer, P. Maass und W. Dieterich, Phys. Rev. Lett., 79, p.893 (1997)

[2] H. P. Fischer, P. Maass und W. Dieterich, Europhys. Lett., 42, p.49 (1998)

Effekte eingefrorener Unordnung auf Strukturbildung

•M. Hammele und W. Zimmermann
Theoretische Physik, Universität des Saarlandes, 66041 Saarbrücken

Beiträge eingefrorener Unordnung zum Kontrollparameter führen zur Modulation (Lokalisierung) räumlich periodischer Strukturen und zu einer charakteristischen ''Aufweichung'' der Bifurkation [1]. Jüngste Experimente zum Taylor-Vortex Flow bei aufgerauhten Innenzylinder zeigen ähnliches Bifurkationsverhalten [2].

Am Swift-Hohenberg Modell wird mit analytischen und numerischen Rechnungen gezeigt, daß  langwellige Modulationen des Kontrollparameters zu ähnlichen Modifikationen der Verzweigung führen. Im Rahmen einer Störungsrechnung wird ebenso der Einfluß  des Unordnungsbeitrages auf die neutrale Stabilitätskurve und anderer Größ en berechnet.

[1] W. Zimmermann, M. Sesselberg und F. Petruccione, Phys. Rev. E 48, 2699 (1993).
[2] B. Painter und R. Behringer (Vorabdruck 1998); W. Zimmermann, B. Painter und R. Behringer, Euro. Phys. J. B 5 , 757 (1998).

NMR-Untersuchungen an unterkühltem Propylencarbonat: Ein einfacher Glasbildner ?

•Fei Qi¹, Samuel Dupont², Roland Böhmer¹, Hans Sillescu¹ und Herbert Zimmermann^3
1Institut für Physikalische Chemie, Johannes Gutenberg-Universität, 55099 Mainz
²Universite de Bourgogne, Dijon, Frankreich
³Max Planck-Institut für Medizinische Forschung, 69120 Heidelberg

Aus dielektrischen Untersuchungen ist bekannt, daß der niedermolekulare, aber hochfragile Glasbildner Propylencarbonat anomal kleine Abweichungen von einem exponentiellen Relaxationsverhalten zeigt. Um die mikroskopischen Bewegungsprozesse aufzuklären, die zu dieser Beobachtung Anlaß geben, führen wir Deuteronen-NMR-Untersuchungen sowohl am volldeuterierten Molekül aus, als auch an einem Isotop, welches nur am Ring deuteriert ist. Wir diskutieren den Einfluß von Sprungprozessen und Methylgruppendynamik auf das Relaxationsverhalten von geschmolzenem und glasigem Propylencarbonat. Zusätzlich haben wir die Protonen-NMR eingesetzt, um die Translationsdynamik dieses Glasbildners zu studieren.

Dynamische Monte-Carlo-Simulationen des ABV-Modells zu oberflächennahen Ordnungsphänomenen in Cu₃Au-Legierungen

•M. Kessler, J. Reinhard und W. Dieterich
Fakultät für Physik, Universität Konstanz, 78457 Konstanz

Im Rahmen von zeitaufgelösten Röntgenstreuexperimenten an der Cu₃Au (001) Oberfläche wurde eine zweistufige Ordnungsbildung entdeckt [1]. Durch Oberflächensegregation von Au wird eine schnelle Ordnungsbildung senkrecht zur Oberfläche induziert. Diese führt zu einer Schichtstruktur parallel zur Oberfläche. Zeitverzögert findet auch eine Strukturbildung im bulk statt, die sich in Richtung Oberfläche ausbreitet. Diese Effekte können im Rahmen einer zeitabhängigen Ginzburg-Landau Theorie reproduziert werden [2]. Zur weiteren Untersuchung dieser oberflächennahen Ordnungsbildung wurden dynamische Monte-Carlo-Simula"-tionen durchgeführt. Die Dynamik wurde hierbei über einen Leerstellenmechanismus (ABV-Modell) bewerkstelligt. Im Gegensatz zum üblichen (A-B) Austauschmechanismus sind hier nur Platzwechsel zwischen einer geringen Anzahl an im System vorhandenen Leerstellen (V) und ihren Nachbaratomen erlaubt. Die hiermit gewonnenen Simulationsergebnisse werden sowohl mit den experimentellen Daten als auch mit den Ergebnissen der zeitabhängigen Ginzburg-Landau Theorie verglichen.

[1] H. Reichert et al., Phys. Rev. Lett. 78, 3475 (1997)

[2] H. P. Fischer, J. Reinhard, W. Dieterich und A. Majhofer, Vorabdruck (1998)

Struktur und Dynamik von Alkan-Molekülen in mesoporösen SiO₂- und TiO₂-Modifikationen

•K. Rahattalab¹, B. Asmussen¹, C. Gutt¹, I. Krasnov¹, W. Press¹, W. Langel² und M. Ferrand^3
1Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel, Leibnitzstr. 19, 24118 Kiel
²Universität Greifswald
³Institut Laue-Langevin, Grenoble, France

Vorgestellt werden die Ergebnisse der Untersuchung von Struktur und Dynamik von einkondensierten Alkanen in mesoporösen SiO₂- und TiO₂-Modifikationen mit Porendurchmessern von 60 Å bis 100 Å  anhand von Röntgendiffraktion, inelastischer Neutronenstreuung und thermodynamischen Methoden. Die in die Poren einkondensierten Gastmoleküle bilden amorphe Strukturen, die mit wachsender Porengröße in kristallinere Strukturen übergehen. Der Einfluß der begrenzten Geometrie führt zu einer Absenkung der Schmelztemperatur der Kondensate in Abhängigkeit von der Größe der inneren Hohlräume. Dies wird sowohl in Röntgendiffraktogrammen als auch in Neutronenspektren beobachtet. Die Messung von Sorptionsisothermen liefert außerdem Informationen über Absorptionspotentiale der Gastmoleküle an der Porenwand.

Direkte Messung entropischer Kräfte in kolloidalen Suspensionen

•D. Rudhardt, C. Bechinger und P. Leiderer
Fakultät für Physik, Universität Konstanz

Die Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Kolloidteilchen und einer geladenen Wand wird durch die Anwesenheit kleinerer, ebenfalls kugelförmiger, aber ungeladener Polymerknäuel stark modifiziert. Diese zusätzliche, rein entropische Wechselwirkung kann mit evaneszenter Lichtstreuung (TIRM, total internal reflection microscopy) als Funktion des Teilchen-Wand-Abstands gemessen werden /1/. Die noch detektierbaren Kräfte sind dabei kleiner als 50 fN und die Abstandsauflösung liegt im Nanometerbereich. Wir zeigen systematische Messungen dieser Kräfte für verschiedene Konzentrationen und Radienverhältnisse der Kolloid- und Polymerteilchen R/r. Für kleine Größenverhältnisse findet man stets attraktive entropische Kräfte, welche sich sehr gut durch eine lineare Theorie erklären lassen. Für größere Radienverhältnisse beobachten wir dagegen auch nicht lineare Effekte, die sich unter anderem durch repulsive Kräfte bemerkbar machen.

/1/ D. Rudhardt, C. Bechinger, and P. Leiderer, Phys. Rev. Lett.

81, 1330 (1998)

Dichtefunktionaltheorie für kolloidale Suspensionen

•Hans Hennig von Grünberg und Rudolf Klein
Fakultät für Physik, Universität Konstanz, 78457 Konstanz

Zwei harte Kugel in einer Suspension ladungsstabilisierter, kolloidaler Teilchen erfahren - obwohl sie direkt nicht miteinander wechselwirken - trotzdem eine effektive Wechselwirkung, die entropischen wie energetischen Charakter hat. Diese lange schon bekannte 'depletion'-Kraft berechnen wir hier aus der 3d-Dichteverteilung der kolloidalen Suspension um die Kugeln und geben damit ein Anwendungsbeispiel für unser, auf diese Systeme zugeschnittenes HWDA Dichtefunktionalmodell. Ferner sollen erste Rechnungen zu Wiedereintritts- (reentrance) Phänomenen im Phasendiagramm solcher Suspensionen vorgestellt werden.

Long-Time Diffusion and Linear Viscoelasticity of Colloidal Suspensions

•Adolfo Javier Banchio¹, Johan Bergenholtz², Gerhard Nägele¹ und Rudolf Klein^1
1Fakultät für Physik, Universität Konstanz, Postfach 5560, D-78457 Konstanz
²Department of Chemical Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, USA

The long-time dynamics and linear viscoelastic properties of hard sphere and charge-stabilized suspensions are calculated from a recently developed mode coupling theory (MCT) [1]. Results are presented for the long-time self- and collective diffusion coefficients, the shear stress autocorrelation function, and the frequency-dependent viscosity. The MCT predictions for linear viscoelasticity are shown to be in excellent accord with experimental data on concentrated hard sphere suspensions [2]. Moreover, the stress autocorrelation function is shown to relax over a time scale inversely proportional to long-time diffusion. Two proposed generalizations of the Stokes-Einstein relation are examined using the MCT results. According to MCT, both relations work well for concentrated hard sphere suspensions, but deviations are found for charge-stabilized suspensions at low salinity.

[1] G. Nägele and J. Bergenholtz, J. Chem. Phys. 108, 9893 (1998).

[2] A. J. Banchio, J. Bergenholtz and G. Nägele, submitted to Phys. Rev. Lett. (1998).

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Zuletzt geändert am 21.10.1999

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