Control of collective activity to crystallize an oscillator gas

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der winzige Dinge, wie Staubpartikel oder Bakterien, ständig mit ihrer eigenen inneren Energie wuseln. In der Welt der Physik nennt man das „aktive Materie“. Normalerweise untersuchen Wissenschaftler diese geschäftigen kleinen Teilchen unter der Annahme, sie seien wie hyperaktive Kleinkinder: Sie rennen mit einer konstanten Geschwindigkeit umher, egal was passiert, stoßen dabei gegeneinander und bilden verrückte Muster wie wirbelnde Stürme oder marschierende Schwärme. Dies ist als „motilitätsinduzierte Phasentrennung“ bekannt, also eine Art Moshpit, in dem sich alle feststecken, weil sie immer dichter werden und dadurch langsamer werden.

Aber was wäre, wenn diese Teilchen klüger wären? Was wäre, wenn sie ihre Energie für einen Regentag sparen könnten und sie nur dann ausgeben, wenn sie tatsächlich mit einem Freund interagieren? Die Natur macht das ständig: Ein Beutetier bleibt vielleicht ruhig, um Energie zu sparen, bis ein Raubtier in die Nähe kommt, und dann – zoom – flitzt es davon. Wissenschaftler sind neugierig geworden, was passiert, wenn sich eine ganze Gruppe dieser „energiesparenden“ Teilchen zusammenfindet. Wird die Gruppe zu einem chaotischen Durcheinander, oder können sie sich organisieren? Das ist die große Frage: Kann eine Menge von Dingen, die einzeln nicht beweglich sind, plötzlich beschließen, einen Marathon zu laufen, nur weil sie in der Nähe zueinander sind?

Die Geschichte der hüpfenden Metallkugeln

In einer kürzlich durchgeführten Studie beschlossen Forscher der Universität Leiden, eine winzige, hüpfende Welt zu erschaffen, um die Antwort zu finden. Sie verwendeten keine Bakterien oder Roboter; sie nutzten einfache, einen Millimeter breite Stahlkugeln, die in Öl schwimmen. Hier ist der Trick: Diese Kugeln sind nicht lebendig und sie sind nicht darauf programmiert, sich von selbst zu bewegen. Tatsächlich, wenn man nur eine von ihnen in das Öl gibt und ein elektrisches Feld einschaltet, liegt sie einfach da und vibriert auf und ab wie ein winziges Pogo-St stick zwischen zwei Metallplatten. Es ist ein „selbsterhaltender Oszillator“, aber er ist an Ort und Stelle gefangen. Er besitzt viel Energie, die in seinem Auf-und-Ab-Hüpfen gespeichert ist, hat aber null Energie, um sich nach links oder rechts zu bewegen.

Die Magie geschieht, wenn man eine Gruppe dieser Kugeln zusammenbringt.

Die Forscher drängten die Stahlkugeln auf etwa 9 % des Raumes zusammen. Plötzlich hüpften die Kugeln nicht mehr nur auf der Stelle; sie begannen, wie ein Gas aus hyperaktiven Atomen durch den Behälter zu sausen. Dies ist das, was das Team „kollektive Aktivität“ nennt. Die Kugeln waren durch ihr Design nicht beweglich, doch zusammen wurden sie zu einem beweglichen, chaotischen Gas.

Wie kamen sie in Bewegung?
Stellen Sie sich die Kugeln wie eine „Batterie“ in ihrem vertikalen Hüpfen vor. Wenn zwei Kugeln kollidieren, passiert etwas Seltsames: Die Kollision ist „superelastisch“. Es ist so, als würde man einen Gummiball gegen eine Wand werfen und er käme schneller zurück, als man ihn geworfen hat. In diesem Fall übertragen die Kugeln bei einer Kollision einen Teil ihrer vertikalen „Hüpfer-Energie“ in horizontale „Sauser-Energie“. Eine Kugel stößt eine andere an, und plötzlich sausen beide zur Seite weg. Je dichter sie beieinander liegen, desto öfter stoßen sie zusammen, desto mehr Energie tauschen sie aus und verwandeln so eine ruhige Gruppe vibrierender Sphären in ein wildes, wirbelndes Gas.

Die Forscher fanden heraus, dass dieses Gas sich sehr anders verhält als normale heiße Gase. In einem normalen Gas sorgt Hitze dafür, dass sich Dinge bewegen. Hier gibt es keine Hitze; die Bewegung entsteht ausschließlich dadurch, dass die Kugeln ihre gespeicherte Hüpfer-Energie untereinander „ausgeben“. Die Geschwindigkeit der Kugeln hängt davon ab, wie schnell sie auf und ab hüpfen. Wenn man das elektrische Feld beschleunigt, damit sie schneller hüpfen, beschleunigt das gesamte Gas, aber das Bewegungsmuster bleibt gleich. Es ist ein System, das seine eigene „Temperatur“ durch Kollisionen erzeugt.

Die Geheimzutat: Synchronisation
Aber warum stoßen sie überhaupt zusammen? Die Forscher entdeckten, dass die Kugeln eine geheime Sprache sprechen: Sie synchronisieren sich. Bevor sie zusammenstoßen, beginnen die Kugeln, ihre Hüpfbewegungen zu koordinieren. Sie fallen in einen Rhythmus, in dem sie genau entgegengesetzt sind (die eine geht hoch, die andere geht runter). Da sie durch die Art und Weise, wie sie beim Aufprall auf die Platten elektrische Ladung aufnehmen, in dieser „entgegengesetzten Phase“ elektrisch angezogen werden, ziehen sie sich zueinander hin an. Sie ziehen zusammen, kollidieren und dann – pop – setzen sie diese gespeicherte Energie frei und sausen auseinander.

Das Chaos bändigen: Vom Gas zum Kristall
Der spannendste Teil der Geschichte ist, wie die Wissenschaftler lernten, dieses Chaos zu kontrollieren. Sie erkannten, dass sie die Kollisionen stoppen könnten, wenn sie die Kugeln daran hinderten, in diesen „entgegengesetzten Phasen“-Rhythmus zu geraten. Um dies zu erreichen, ersetzten sie ihr stetiges elektrisches Feld durch ein schnell flackerndes Feld.

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Gruppe von Menschen dazu zu bringen, in einem bestimmten Muster zu tanzen, während sich das Tempo der Musik jede Sekunde ändert. Es ist schwer, sich zu synchronisieren. Indem die Forscher das elektrische Feld mit genau der richtigen Geschwindigkeit (etwa 24 Radiant pro Sekunde) flackern ließen, brachen sie die Fähigkeit der Kugeln zur Synchronisation. Ohne Synchronisation zogen sie sich nicht an. Ohne Anziehung kollidierten sie nicht. Ohne Kollisionen setzten sie keine Energie frei, um herumzusausen.

Das Ergebnis? Das wilde, chaotische Gas erstarrte augenblicklich zu einem perfekten, geordneten Kristall. Die Kugeln reihten sich in einem ordentlichen, dreieckigen Gitter auf, vibrierten sanft an Ort und Stelle, prallten aber nicht mehr gegeneinander. Die Forscher konnten dies innerhalb von Sekunden hin und her schalten: Das Feld flackern lassen, und man erhält ein chaotisches Gas; das Feld anders flackern lassen, und man erhält einen perfekten Kristall.

Warum das wichtig ist
Diese Arbeit zeigt uns, dass man keine komplexen, vorprogrammierten Roboter braucht, um Ordnung zu schaffen. Man braucht nur einfache Teile, die aufeinander reagieren können. Durch das Verständnis davon, wie diese „energiesparenden“ Teilchen interagieren, fanden die Wissenschaftler einen neuen Weg, Materie zu kontrollieren. Sie bewiesen, dass eine positive Verknüpfung zwischen der Frage, wie dicht Dinge gepackt sind und wie aktiv sie werden, zu überraschenden neuen Materiezuständen führen kann. Es ist eine Erinnerung daran, dass der beste Weg, eine Menge zu organisieren, manchmal nicht darin besteht, ihr zu sagen, was sie tun soll, sondern die Regeln des Spiels so zu ändern, dass sie sich ganz natürlich einfügen.