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Titel:Experimental tests of random wave models with chaotic microwave billiards
Autor:Höhmann, Ruven
Weitere Beteiligte: Stöckmann, Hans-Jürgen (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2008
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2008/0582
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2008-05826
DOI: https://doi.org/10.17192/z2008.0582
DDC:530 Physik
Titel(trans.):Experimentelle Überprüfung von Zufallswellenmodellen mit chaotischen Mikrowellenbillards

Dokument

Schlagwörter:
Quantenstress, Fideliy amplitude, Quantenchaos, Random wave models, Monsterwellen, Zufallswellenmodell, Quantum stress, Mikrowellenspektrum, Korrelationsfunktion, Quantenpunkt, Freak waves, Fidelity-Amplitude
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Summary:
In this work we shall test predictions of random wave models with microwave experiments. In wave or quantum mechanical systems, where the classical dynamic is chaotic, we can make predictions on quantities which only depend on general properties of the wave function. In our experiments on quasi two-dimensional microwave cavities we use the complete equivalence of the Schrödinger equation and the Helmholtz equation to study properties of quantum systems with electromagnetical waves. In the first part of this thesis we investigate spatial correlation functions of open billiard systems. In open quantum systems we expect running waves as the solution of the Schrödinger equation. Thus the wave function is complex and the zeros of a two-dimensional complex function are nodal points and not nodal lines as we would expect for a closed system. In this work we shall investigate the spatial correlation function between nodal points of the wave function and saddle points of the phase of the wave function. For this correlation function we will additionally look for the influence of the boundary due to the finite size of the system. Another quantity one can study is the distribution of the components of the quantum stress tensor. In the second part we shall study the time dependent stability of a quantum system against a local perturbation. The time dependent stability of a quantum system is described by the fidelity, which is defined as the overlap integral of the time evolution of the same initial state under an unperturbed and a perturbed Hamiltonian. Experimentally the local perturbation has been realized by the shift of a small scatterer. We use the model of random plane waves to calculate a theoretical expression for the fidelity of a local perturbation and compare this to our experimental results. In the last part of this work we shall present an analogue experiment with microwaves to investigate the probability of extreme wave heights in the ocean. Such high amplitudes in the ocean are called freak waves, rogue waves or sometimes giant waves. Data of wave heights collected with radar satellite suggests that a random wave model surely underestimates the probability of such events. One way to explain the higher probability for freak waves is the effect of focussing of waves due to variable velocity fields. These velocity fields can be formed by current eddies or a height variation in shallow water. In our analogue study we use a potential landscape for microwaves to show the influence of focussing effects on the distribution of intensities.

Zusammenfassung:
In dieser Arbeit werden durch Zufallswellenmodelle gewonnene Vorhersagen mit Hilfe von Mikrowellen-Experimenten überprüft. In wellenmechanischen bzw. quantenmechanischen Systemen, deren klassische Dynamik chaotisch ist, können mit dem Modell der zufälligen Überlagerung von Wellen statistische Aussagen über physikalische Größen getroffen werden, die nur von allgemeinen Eigenschaften der Wellenfunktion abhängen. Um quantenmechanische Systeme zu untersuchen, nutzen wir in unseren Experimenten aus, dass in quasi-zweidimensionalen Mikrowellenresonatoren eine Äquivalenz zwischen Schrödingergleichung und Helmholtzgleichung existiert. Im ersten Teil dieser Arbeit werden räumliche Korrelationsfunktionen in einem offenen Billardsystem untersucht. In offenen quantenmechanischen Systemen erwartet man laufende Wellen als Lösung der Schrödingergleichung. Somit muss die Wellenfunktion als komplexe Größe beschrieben werden. Dadurch sind im zweidimensionalen die Nullstellen der Funktion Knotenpunkte und nicht, wie für geschlossene Billardsysteme, Knotenlinien. Es werden in dieser Arbeit räumliche Korrelationsfunktionen zwischen den Knotenpunkten der Wellenfunkion und den Sattelpunkten der Phase untersucht. Hierbei wird zudem der Einfluss der endlichen Systemgröße auf die räumlichen Korrelationsfunktionen betrachtet. Als letztes wird in diesem Teil die statistische Verteilung des Quantenstresstensors untersucht. Im zweiten Teil wird die zeitliche Stabilität eines quantenmechanischen Systems gegenüber einer lokalen Störung betrachtet. Das Überlapp-Integral der zeitlichen Entwicklung eines gestörten und eines ungestörten Systems mit der selben Anfangswellenfunktion wird als Fidelity bezeichnet und gibt die zeitliche Stabilität eines quantenmechanischen Systems gegenüber einer Störung wieder. Experimentell wird für die Realisierung einer lokalen Störung ein kleiner Störkörper in einem Billiard verschoben. Mit Hilfe des Modells der zufälligen Überlagerung ebener Wellen wird ein theoretischer Ausdruck für die Fidelity einer lokalen Störung hergeleitet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Im letzten Teil der Arbeit wird die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten extrem hoher Wellen auf Meeren -- sogenannter Monsterwellen -- untersucht. Untersuchungen mit Radarsatelliten haben gezeigt, dass ein rein statistisches Modell zufällig überlagerter Wellen diese Häufigkeit unterschätzt. Ein Ansatzpunkt zur Erklärung der deutlich höheren Wahrscheinlichkeit für Monsterwellen sind Fokussierungseffekte, hervorgerufen durch ortsabhängige Geschwindigteitsfelder. Diese können wiederum durch Wirbel oder im Flachwasser durch unterschiedliche Wassertiefen entstehen. In dieser Arbeit wird eine Analogstudie mit Mikrowellen vorgestellt, die zeigt, dass sich eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für extrem hohe Wellen ergibt.


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