Selbstorganisation und Strukturbildung

Transversale hexagonale Struktur im Laserstrahl
Laserstrahl mit selbstorganisierter transversaler hexagonaler Struktur

Selbstorganisation ist ein kollektives Phänomen kooperiernder Systeme. Durch Kooperation entstehen neue, makroskopische Eigenschaften eines Gesamtsystems, die aus den einzelnen Bestandteilen zunächst nicht ersichtlich sind. Diese emergenten Eigenschaften führen häufig einen neuen Grad von Ordnung in die Bestandteile ein. Als Ergebnis von Selbstorganisationsprozessen nimmt daher die Entropie ab - dies ist nur in nicht abgeschlossenen Systemen möglich, ein thermodynamisches Ungleichgewicht (Energieumsatz) ist Voraussetzung für die Existenz von Selbstorganisation.

Bildet sich durch Selbstorganisation eine räumliche Ordnung innerhalb des Systems aus, dann spricht man von räumlicher Strukturbildung oder Musterbildung. Grundvoraussetzung hierfür ist eine räumliche (Rück-)Kopplung. Nur durch sie kann die geordnete Korrelation von räumlich getrennten Gebieten vermittelt werden. Weiterhin sind dissipative Prozesse nötig, um in nichtlinearen Systemen fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht stationäre Musterzustände im Fließgleichgewicht beobachten zu können.

Die zur Ausbildung von Mustern führenden Phänomene sind häufig weitgehend unabhängig von den mikroskopischen Details des untersuchten Systems. Statt dessen finden sich in vielen aus sehr unterschiedlichen Bereichen der Physik, Chemie und Biologie stammenden Beispielsystemen ähnliche Selbstorganisationsprozesse, die zu analoger Ausbildung von räumlichen Muster führen.

Zur Untersuchung von allgemeinen Prozessen der Selbstorganisation können daher experimentell gut zugängliche Systeme mit Modellcharakter eingesetzt werden. Gewonnene Ergebnisse lassen sich oft generalisieren. Wir untersuchen die Ausbildung von räumlichen Strukturen in zwei optischen Modellsystemen. Beides sind Systeme mit einfacher Rückkopplung, einmal mit einer optisch adressierbaren Nichtlinerarität (Liquid Crystal Light Valve, LCLV), zum anderen wird die photorefraktive Zweistrahlkopplung als Nichtlinearität eingesetzt.

Forschungs-Ziele

 
Generell verfolgen wir bei der Untersuchung von Selbstorganisationsprozessen in optischen Systemen folgende Schwerpunktziele:

  • Verstehen, wie komplexe Muster aus der Wechselwirkung nichtlinearer Moden entstehen.
  • Die Musterbildung kontrollieren, mögliche Systemzustände deterministisch ansprechen.
  • Übertragen der Ergebnisse zwischen mikroskopisch unterschiedlichen Systemen.