Адиабатический броуновский мотор со ступенчатым потенциалом, возмущаемым дихотомным гармоническим сигналом

  • Ирина Викторовна Шапочкина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Анастасия Дмитриевна Савина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Елена Михайловна Зайцева Республиканский институт высшей школы, ул. Московская, 15, 220007, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-5500-2500
  • 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
  • Мария Ильинична Иким Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, ул. Косыгина, 4, 119991, г. Москва, Россия
  • Александр Степанович Бугаев Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, ул. Косыгина, 4, 119991, г. Москва, Россия
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-2-71-80

Аннотация

Получено аналитическое выражение для средней скорости движения адиабатического броуновского мотора (рэтчета), функционирующего за счет малых дихотомных пространственно-гармонических флуктуаций ступенчатого потенциала. Выявлены свойства симметрии средней скорости как функционала стационарной и флуктуирующей компонент потенциальной энергии наночастицы и определены области значений параметров системы, обеспечивающих движение мотора направо и налево. Показано, что средняя скорость движения мотора является немонотонной функцией высоты ступенчатого потенциала. Для сингулярного (бесконечно высокого и бесконечно узкого) потенциального барьера средняя скорость немонотонно зависит от «мощности» этого барьера (произведения ширины барьера на экспоненту отношения его высоты к тепловой энергии). Статья продолжает развитие теоретических методов симметрийного анализа применением предложенных авторами общих подходов к конкретным моторным системам.

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.

Елена Михайловна Зайцева, Республиканский институт высшей школы, ул. Московская, 15, 220007, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; профессор кафедры информационных технологий в образовании

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

Мария Ильинична Иким, Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, ул. Косыгина, 4, 119991, г. Москва, Россия

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник лаборатории функциональных нанокомпозитов отдела кинетики и катализа

Александр Степанович Бугаев, Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, ул. Косыгина, 4, 119991, г. Москва, Россия

академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник лаборатории функциональных нанокомпозитов отдела кинетики и катализа

Литература

  1. Bressloff PC, Newby JM. Stochastic models of intracellular transport. Reviews of Modern Physics. 2013;85(1):135–196. DOI: 10.1103/RevModPhys.85.135.
  2. Cubero D, Renzoni F. Brownian ratchets: from statistical physics to bio and nano-motors. Cambridge: Cambridge University Press; 2016. 200 p.
  3. 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.
  4. Gulyaev YuV, Bugaev AS, Rozenbaum VM, Trakhtenberg LI. Nanotransport controlled by the ratchet effect. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2020;190(4):337–354. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.2019.05.038570.
  5. 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.
  6. Shapochkina IV, Savina ND, Rozenbaum VМ, Korochkova ТYe. Symmetry properties of a Brownian motor with a sawtooth potential perturbed by harmonic fluctuations. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2021;1:41–49. Russian. DOI: 10.33581/2520-2243-2021-1-41-49.
  7. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Teranishi Y, Trakhtenberg LI. [Symmetry of pulsating ratchets]. Pis’ma v Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 2018;107(7–8):525–531. Russian. DOI: 10.7868/S0370274X18080118.
  8. Reimann P. Supersymmetric ratchets. Physical Review Letters. 2001;86(22):4992–4995. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.4992.
  9. 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.
  10. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Teranishi Y, Trakhtenberg LI. Symmetry of deterministic ratchets. Physical Review E. 2019; 100(2):022115. DOI: 10.1103/PhysRevE.100.022115.
  11. Rozenbaum VM, Makhnovskii YuA, Shapochkina IV, Sheu S-Y, Yang D-Y, Lin SH. Adiabatically slow and adiabatically fast driven ratchets. Physical Review E. 2012;85(4):041116. DOI: 10.1103/PhysRevE.85.041116.
  12. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Sheu S-Y, Yang D-Y, Lin SH. High-temperature ratchets with saw-tooth potentials. Physical Review E. 2016;94(5):052140. DOI: 10.1103/PhysRevE.94.052140.
  13. Astumian RD. Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor. Science. 1997;276(5314):917–922. DOI: 10.1126/science. 276.5314.917.
  14. Lau B, Kedem O, Schwabacher J, Kwasnieski D, Weiss EA. An introduction to ratchets in chemistry and biology. Materials Horizons. 2017;4(3):310–318. DOI: 10.1039/c7mh00062f.
  15. Germs WC, Roeling EM, van IJzendoorn LJ, Smalbrugge B, de Vries T, Geluk EJ, et al. High-efficiency dielectrophoretic ratchet. Physical Review E. 2012;86(4):041106. DOI: 10.1103/PhysRevE.86.041106.
  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. Shved NYu, Shapochkina IV, Rozenbaum VM. [Temperature-induced reversal of the motion direction of an adiabatic Brownian motor]. Vestnik BGU. Seriya 1. Fizika. Matematika. Informatika. 2014;2:27–32. Russian.
  18. Vysotskaya UA, Shapochkina IV, Rozenbaum VM, Trakhtenberg LI. Diffusion of Brownian particles in a spatially periodic potential with a finite life-time. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2017;3:33–40. Russian.
  19. Faucheux LP, Bourdieu LS, Kaplan PD, Libchaber AJ. Optical thermal ratchet. Physical Review Letters. 1995;74(9):1504–1507. DOI: 10.1103/physrevlett.74.1504.
  20. Robilliard C, Lucas D, Grynberg G. Modelling a ratchet with cold atoms in an optical lattice. Applied Physics A. 2002;75(2): 213–216. DOI: 10.1007/s003390201333.
  21. Rozenbaum VM. [Mechanism for the appearance of a high-efficiency Brownian motor with fluctuating potential]. Pis’ma v Zhur nal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 2004;79(8):475–479. Russian.
  22. Rozenbaum VM, Korochkova TYe, Liang KK. Conventional and generalized efficiencies of flashing and rocking ratchets: ana lytical comparison of high-efficiency limits. Physical Review E. 2007;75(6):061115. DOI: 10.1103/PhysRevE.75.061115.
  23. Rozenbaum VM, Makhnovskii YuA, Shapochkina IV, Sheu S-Y, Yang D-Y, Lin SH. Adiabatically driven Brownian pumps. Physical Review E. 2013;88(1):012104. DOI: 10.1103/PhysRevE.88.012104.
Опубликован
2021-05-21
Ключевые слова: диффузионный транспорт, диффузионная динамика, рэтчет-системы, адиабатические броуновские моторы, симметрия, ступенчатый потен, циал, гармонические флуктуации
Поддерживающие организации Работа выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект Ф20P-032) и Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 18-29-02012_мк, 20-57-00007_Бел_а, 21-57-52006_МНТ_а).
Как цитировать
Шапочкина, И. В., Савина, А. Д., Зайцева, Е. М., Розенбаум, В. М., Иким, М. И., & Бугаев, А. С. (2021). Адиабатический броуновский мотор со ступенчатым потенциалом, возмущаемым дихотомным гармоническим сигналом. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 71-80. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-2-71-80
Выпуск
№ 2 (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).