Über gekoppelte Dipolmethoden, die Rolle von Vakuumsfluktuationen in Wärmeflussfluktuationen und Fluktuationen der Strahlungskraft für beliebige Objekte und Umgebungen außerhalb des Gleichgewichts

• Antragsteller: Dr. Florian Herz
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519479175

Mein Forschungsprojekt gehört zum Fachbereich Physik und beschäftigt sich mit dem Transport von Wärmestrahlung auf Skalen unterhalb der Wellenlänge des zugehörigen Lichts. Auf diesen Längenskalen können Objekte Wärmestrahlung abhängig vom Material oberhalb des vom Stefan-Boltzmann-Gesetzes vorhergesagten Limits übertragen. Bereits in meiner Doktorarbeit habe ich theoretische Modelle aufgestellt, um Experimente zu simulieren, in denen man Informationen über die Nahfeldeigenschaften verschiedener Materialien und Konfigurationen gewinnen möchte. Dafür habe ich einen Mehrteilchen-Dipolansatz verwendet, um makroskopische Objekte geometrisch zu approximieren. Diesen möchte ich in meinem Forschungsprojekt weiter verbessern, um auch Materialien betrachten zu können, die sich anisotrop verhalten, d.h. deren Materialparameter von der Ausbreitungsrichtung der Wärmestrahlung abhängen. Dies ist z.B. interessant für magneto-optische Materialien, mit denen man die Ausbreitung von Wärme gezielt beeinflussen kann. Zudem möchte ich mein Modell realitätsnaher gestalten, indem ich Temperaturverläufe der verwendeten Materialien sowie eine Oberflächenrauigkeit implementiere. Ein weiterer Schwerpunkt liegt darin, Dynamiken für solche Systeme zu modellieren. Dies entspricht quasi einem „Anschaltprozess“, wenn ein Teilchen zum ersten Mal Wärme zu einem anderen überträgt, bis sich schließlich im Wärmefluss ein Gleichgewicht einstellt. Dazu kann man die Teilchen als harmonische Oszillatoren beschreiben, die mit Wärmebädern gekoppelt werden. Abschließend möchte ich den Einfluss von Vakuumfluktuationen auf die Fluktuationen des Wärmeübertrags zwischen zwei Objekten untersuchen. Diese waren im Rahmen meiner Doktorarbeit zusätzlich zu thermischen Fluktuationen aufgetreten und sind bislang aufgrund ihrer divergenten Eigenschaften nicht zu interpretieren gewesen. Anschließend möchte ich die bereits existierenden Relationen für die Fluktuation von Strahlungskräften auf beliebige Geometrien und Materialien außerhalb des globalen thermodynamischen Gleichgewichts verallgemeinern. Diese Forschungsarbeiten möchte ich am Institut d’Optique in Palaiseau, Frankreich, bearbeiten. Das Institut gehört zur Universität Paris-Saclay mit einem exzellenten Ruf für Mathematik und Physik, insbesondere in meinem Fachbereich. Mein zukünftiger Mentor Dr. Philippe Ben-Abdallah gehört auf diesem Gebiet zu den herausragenden Wissenschaftlern, sodass ich mir von einem zweijährigen Aufenthalt dort für meine weitere akademische Laufbahn einen großen Erfahrungs- und Kenntniszugewinn erhoffe.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Gastgeber: Philippe Ben-Abdallah, Ph.D.