Ein Dresdner Physikteam um Roderich Moessner hat eine wegweisende Theorie entwickelt, die ein neues Verständnis von nicht-reziproken Wechselwirkungen bietet. Diese Interaktionen, beobachtet in vielen kollektiven Systemen wie Vogelschwärmen, widersprechen dem dritten Newtonschen Gesetz, welches besagt, dass für jede Aktion eine gleich große, entgegengesetzte Reaktion erfolgt. Das Team beschreibt, wie Teile eines Systems sich nur an bestimmten Nachbarn orientieren, was bedeutet, dass sie nicht unbedingt auf alle ihre Interaktionen gleich reagieren. Laut tu-dresden.de wurde die Forschungsergebnisse im renommierten Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.
Bei der Beobachtung von Vögeln im Schwarm wird klar, dass diese sich häufig nur nach den Vögeln positionieren, die sich direkt vor oder neben ihnen befinden, nicht jedoch nach denen, die hinter ihnen fliegen. Dies stellt eine interessante Abweichung von den gängigen physikalischen Prinzipien dar. Moessners Theorie ersetzt nicht-reziproke Wechselwirkungen durch reziproke, indem zusätzliche künstliche Variablen eingeführt werden. Jeder Systembestandteil erhält einen konstruierten Partner, der die Interaktionen manipuliert, was zu präziseren Simulationen von Bewegungen in Systemen führt.
Potenzial in der Forschung zu Quantenmaterialien
Die neu entwickelte Theorie hat das Potenzial, nicht nur die Bewegungsmuster in natürlichen Systemen besser zu verstehen, sondern könnte auch richtungsweisend für die Forschung an Quantenmaterialien sein. Diese Materialien erzeugen einzigartige Phänomene, zu denen auch Magnetismus gehört. Wissenschaftler im Exzellenzcluster ctd.qmat, an dem das Team beteiligt ist, erforschen derzeit neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Das Cluster hat kürzlich die zweite Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder begonnen.
Zusätzlich zeigt die Forschung von ds.mpg.de, dass nicht-reziproke Wechselwirkungen auch in lebenden Systemen Ordnung schaffen können. Diese Dynamiken können stabile, gemeinsame Bewegungen in molekularen und biologischen Kontexten hervorrufen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass trotz chaotischer Bedingungen stabile Muster auftreten, die gegen Störungen resistent sind. Giulia Pisegna, Erstautorin einer entsprechenden Studie, hebt hervor, dass in diesen Systemen die Dynamik zu spontanem und gerichteten Bewegungen führt, was essenziell für die Funktionsfähigkeit lebender Systeme ist.
Die Erkenntnisse über nicht-reziproke Wechselwirkungen können daher nicht nur das Verständnis kollektiver Bewegungen im Tierreich revolutionieren, sondern sind auch von zentraler Bedeutung für die Entwicklung stabiler, lebender Systeme. Diese Forschungen bieten vielversprechende Ansätze, um Eigenschaften und Verhaltensweisen in komplexen chemischen Umgebungen vorherzusagen und zu charakterisieren.