Свойства симметрии броуновского мотора с пилообразным потенциалом, возмущаемым гармоническими флуктуациями

  • Ирина Викторовна Шапочкина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-6962-7931
  • Анастасия Дмитриевна Савина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Виктор Михайлович Розенбаум Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова, 17, 03164, г. Киев, Украина https://orcid.org/0000-0003-2889-3915
  • Таисия Евгеньевна Корочкова Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова, 17, 03164, г. Киев, Украина
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-1-41-49

Аннотация

Представлено исследование общих симметрийных свойств модели броуновских моторов (рэтчетов). Оно базируется на построении последовательностей симметрийных преобразований, отражающих явные и скрытые симметрии средней скорости рэтчета как функционала пространственно-периодической потенциальной энергии наночастицы, а также на учете типов симметрий периодических функций, являющихся компонентами потенциальной энергии аддитивно-мультипликативной формы. Исследуется рэтчет с пилообразным стационарным потенциальным профилем, дихотомно возмущаемым пространственно-гармоническим сигналом. Делается заключение относительно возможности возникновения и направления рэтчет-эффекта в зависимости от значений параметра асимметрии пилообразного профиля, фазовых сдвигов управляющей компоненты и частот временных флуктуаций. При этом выводы основаны только лишь на преобразованиях симметрий, что демонстрирует предсказательную ценность изложенного подхода. Результаты симметрийных рассмотрений подтверждены численным моделированием функционирования рэтчета с дихотомными стохастическими пространственно-периодическими флуктуациями профиля потенциальной энергии наночастицы.

Биографии авторов

Ирина Викторовна Шапочкина, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; доцент кафедры компьютерного моделирования физического факультета

Анастасия Дмитриевна Савина, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студентка физического факультета. Научный руководитель – И. В. Шапочкина

Виктор Михайлович Розенбаум, Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова, 17, 03164, г. Киев, Украина

доктор физико-математических наук, профессор; заведующий отделом теоретической и экспериментальной физики наносистем

Таисия Евгеньевна Корочкова, Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова, 17, 03164, г. Киев, Украина

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник отдела теоретической и экспериментальной физики наносистем

Литература

  1. Reimann P. Brownian motors: noisy transport far from equilibrium. Physics Reports. 2002;361(2–4):57–265. DOI: 10.1016/S0370-1573(01)00081-3.
  2. Lau B, Kedem J, Schwabacher D, Kwasnieski D, Weiss EA. An introduction to ratchets in chemistry and biology. Materials Horizons. 2017;4:310–318. DOI: 10.1039/C7MH00062F.
  3. Reimann P. Supersymmetric ratchets. Physical Review Letters. 2001;86(22):4992–4995. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.4992.
  4. Denisov S, Flach S, Hänggi P. Tunable transport with broken space-time symmetries. Physics Reports. 2014;538(3):77–120. DOI: 10.1016/j.physrep.2014.01.003.
  5. Cubero D, Renzoni F. Hidden symmetries, instabilities, and current suppression in Brownian ratchets. Physical Review Letters. 2016;116(1):010602. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.010602.
  6. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Teranishi Y, Trakhtenberg LI. [Symmetry of pulsating ratchets]. Pis’ma v Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 2018;107(8):525–531. Russian. DOI: 10.7868/S0370274X18080118.
  7. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Teranishi Y, Trakhtenberg LI. Symmetry of deterministic ratchets. Physal Review E. 2019;100(2):022115. DOI: 10.1103/PhysRevE.100.022115.
  8. Chou C-F, Bakajin O, Turner SWP, Duke TAJ, Chan SS, Cox EC, et al. Sorting by diffusion: a asymmetric obstacle course for continuous molecular separation. Proceedings National Academy of Sciences of the United States of America. 1999;96(24):13762–13765. DOI: 10.1073/pnas.96.24.13762.
  9. Matthias S, Müller F. Asymmetric pores in a silicon membrane acting as massively parallel Brownian ratchets. Nature. 2003;424(6944):53–57. DOI: 10.1038/nature01736.
  10. Cheetham MR, Bramble JP, McMillan DGG, Bushby RJ, Olmsted PD, Jeuken LJC, et al. Manipulation and sorting of membrane proteins using patterned diffusion-aided ratchets with AC fields in supported bilayers. Soft Matter. 2012;8(20):5459–5465. DOI: 10.1039/C2SM25473E.
  11. Roth JS, Zhang Y, Bao P, Cheetham MR, Han X, Evans SD. Optimization of Brownian ratchets for the manipulation of charged components within supported lipid bilayers. Applied Physics Letters. 2015;106(18):183703. DOI: 10.1063/1.4919801.
  12. Hänggi P, Marchesoni F. Artificial Brownian motors: controlling transport on the nanoscale. Review of Modern Physics. 2009;81(1):387–442. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.387.
  13. Cubero D, Renzoni F. Brownian ratchets: from statistical physics to bio- and nanomotors. Cambridge: Cambridge University Press; 2016. 200 p.
  14. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Trakhtenberg LI. [Green’s function method in the theory of Brownian motors]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2019;189(5):529–543. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.2018.04.038347.
  15. Gulyaev YuV, Bugaev AS, Rozenbaum VM, Trakhtenberg LI. [Nanotransport controlled by means of the ratchet effect]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2020;190(4):337–354. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.2019.05.038570.
  16. Rozenbaum VM, Makhnovskii YuA, Shapochkina IV, Sheu S-Y, Yang D-Y, Lin SH. Diffusion of a massive particle in a periodic potential: application to adiabatic ratchets. Physical Review E. 2015;92(6):062132. DOI: 10.1103/PhysRevE.92.062132.
  17. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Sheu S-Y, Yang D-Y, Lin SH. High-temperature ratchets with sawtooth potentials. Physical Review E. 2016;94(5):052140. DOI: 10.1103/PhysRevE.94.052140.
  18. Lee C-S, Janko B, Derenyi I, Barabasi A-L. Reducing vortex density in superconductors using the ratchet effect. Nature. 1999;400(6742):337–340. DOI: 10.1038/22485.
  19. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Teranishi Y, Trakhtenberg LI. High-temperature ratchets driven by deterministic and stochastic fluctuations. Physical Review E. 2019;99(1):012103. DOI: 10.1103/PhysRevE.99.012103.
  20. Ikim MI, Dekhtyar’ ML, Rozenbaum VM, Bugaev AS, Trakhtenberg LI. [Symmetry of Brownian photo motors]. Khimicheskaya fizika. 2020;39(3):80–84. Russian. DOI: 10.31857/S0207401X20030073.
Опубликован
2021-02-09
Ключевые слова: диффузионный транспорт, диффузионная динамика, рэтчет-системы, броуновские моторы, симметрия, пилообразный потенциал, гармонические флуктуации
Поддерживающие организации Работа выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Ф20P-032).
Как цитировать
Шапочкина, И. В., Савина, А. Д., Розенбаум, В. М., & Корочкова, Т. Е. (2021). Свойства симметрии броуновского мотора с пилообразным потенциалом, возмущаемым гармоническими флуктуациями. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 41-49. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-1-41-49
Выпуск
№ 1 (2021): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Теоретическая физика

Copyright (c) 2021 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).