Bakterien sind typische „kleine physikalische Systeme“, ebenso wie mikrometergroße Glasteilchen in einer ruhenden Flüssigkeit, die der Brownschen Bewegung unterliegen. Alle diese Systeme sind oft erheblichem Rauschen ausgesetzt, dass sich auf die Bewegung von ihnen auswirkt und es erschwert. Wie können solche Systeme, trotz des hohen Rauschpegels, effektiv funktionieren? In der Natur bedeutet dies zum Beispiel: Wie bewegen sich Bakterien kontrolliert und welche Strategien haben sie entwickelt, mittels derer sie ihre Umgebung maximal gut erkunden, um Ressourcen für ihr Überleben zu sammeln?
Diese mikroskopisch kleinen, biologischen Maschinen erreichen eine beeindruckende Effizienz, selbst unter ständig schwankenden thermischen Bedingungen. AvH-Forschungsstipendiat Dr. Kristian Olsen will mithilfe der modernen statistischen Physik verstehen, wie Systeme unter Rauschbedingungen hohe Leistungsniveaus aufrechterhalten können. Langfristig, so Olsen, „kann dieses Verständnis neue, biologisch imitierte Mikro- und Nanotechnologien inspirieren.“
Olsen: „Eine effektive Strategie der Organismen ist das sogenannte ‚stochastische Zurücksetzen‘, bei dem sie ihre Suche in zufälligen Abständen neu starten. Dadurch, dass das Zurücksetzen ein sinnloses langes Gefangensein in ungünstigen Konfigurationen verhindert, kann die Dynamik damit optimiert werden.“
Darüber hinaus befasst sich Olsen mit den energetischen Kosten solcher Prozesse, die den Gesetzen der Thermodynamik unterliegen. Dazu Prof. Löwen, der Gastgeber an der HHU: „Die Thermodynamik von kleinen Systemen mit starken Fluktuationen ist kompliziert. Dr. Olsen wird sich zusammen mit uns am Institut für Theoretische Physik auch mit der sogenannten stochastischen Thermodynamik befassen, die traditionelle makroskopischen thermodynamische Prinzipien auf Systeme mit Fluktuationen ausdehnt.“
„Durch diese Arbeit hoffen wir, Einblicke in die Effizienz biologischer Systeme zu gewinnen. Auch wollen wir Protokolle für eine verbesserte Kontrolle mikroskopischer Teilchen entwickeln, beispielsweise in optischen Experimenten, die sich mit selbstangetriebenen Minirobotern oder Kolloidteilchen befassen“, ergänzt Dr. Olsen.
Zur Person
Kristian Stølevik Olsen (geboren 1992 in Ringeriket/Norwegen) studierte Physik an der Universität Oslo (Bachelor 2015, Master 2017). Er promovierte dort 2021 mit einer Arbeit zu aktiven und passiven Brownschen Teilchen in komplexen Umgebungen. Anschließend wechselte er auf eine Postdoc-Position ans Nordita (Nordic Institute for Theoretical Physics) in Stockholm in Schweden. Seit November 204 ist er Humboldt-Forschungsstipendiat am HHU-Institut für Theoretische Physik II (Institutsleiter: Prof. Dr. Hartmut Löwen).
Dr. Olsen interessiert sich für kleine physikalische Systeme und wie diese trotz widriger Umgebungsbedingungen – einem „Rauschen“ im weiteren Sinne – funktionieren. Hierzu gehören unter anderem Bakterien, die sich zielgerichtet in einem Körper bewegen. Zu seinen Forschungen veröffentliche er eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten in begutachteten Zeitschriften, unter anderem in Physical Review und Soft Matter.
Humboldt-Forschungsstipendien für Postdocs der Alexander von Humboldt-Stiftung
Das Humboldt‐Forschungsstipendium steht für Forschende aller Nationen und Fachgebiete offen. Unterstützt werden überdurchschnittlich qualifizierte Wissenschaftler dabei, ein Forschungsvorhaben in Deutschland zu verwirklichen. Ziel ist es, den Einstieg der Stipendiaten in eine wissenschaftliche Laufbahn zu ermöglichen.
Die Stipendiatinnen und Stipendiaten können an einer von ihnen ausgewählten Forschungseinrichtung ihr persönliches Forschungsvorhaben durchführen. Die maximal 24 Monate währende Förderung umfasst ein monatliches Stipendium und weitere Unterstützungen.
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