Вращательный рэтчет, управляемый дихотомным изменением ориентаций приложенного поля

  • Ирина Викторовна Шапочкина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Совместный институт Даляньского политехнического университета и Белорусского государственного университета, ул. Цингунюань, 1, 116034, г. Далянь, Китай
  • Виктор Михайлович Розенбаум Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Совместный институт Даляньского политехнического университета и Белорусского государственного университета, ул. Цингунюань, 1, 116034, г. Далянь, Китай

Аннотация

Рассмотрено однонаправленное вращение полярного ротора (вращательный рэтчет) в потенциале заторможенного вращения, управляемое дихотомными флуктуациями ориентаций электрического поля. Проведен анализ симметрии, который показал отсутствие рэтчет-эффекта при нечетном количестве ям потенциала заторможенного вращения, а также при четном количестве ям потенциала заторможенного вращения, когда средний угол флуктуирующих ориентаций электрического поля совпадает с осями симметрии потенциала заторможенного вращения. Получены аналитические выражения для средней скорости вращения ротора в двухъямном потенциале заторможенного вращения в низкотемпературном адиабатическом приближении, когда происходит прыжковое вращение и в каждом состоянии дихотомного процесса успевает установиться термодинамическое равновесие, а также в высокотемпературном приближении при произвольных частотах флуктуаций, когда тепловая энергия много больше барьера переориентаций потенциала заторможенного вращения и энергии взаимодействия дипольного ротора с электрическим полем. Показано, что в обоих случаях максимальная скорость вращения достигается при больших электрических полях, флуктуирующих по знаку, и имеет колоколообразную форму в зависимости от амплитуды угловых флуктуаций, ширину которой и наличие плато можно регулировать средним углом флуктуаций. Зависимость скорости вращения от частоты флуктуаций также имеет колоколообразную форму, широкую для стохастических дихотомных флуктуаций и узкую для детерминистических дихотомных флуктуаций, с одинаковыми линейными низкочастотными асимптотиками.

Биографии авторов

Ирина Викторовна Шапочкина, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Совместный институт Даляньского политехнического университета и Белорусского государственного университета, ул. Цингунюань, 1, 116034, г. Далянь, Китай

кандидат физико-математических наук, доцент; доцент кафедры компьютерного моделирования физического факультета Белорусского государственного университета, доцент Совместного института Даляньского политехнического университета и Белорусского государственного университета

Виктор Михайлович Розенбаум, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Совместный институт Даляньского политехнического университета и Белорусского государственного университета, ул. Цингунюань, 1, 116034, г. Далянь, Китай

доктор физико-математических наук, профессор; старший научный сотрудник кафед­ ры компьютерного моделирования физического факультета Белорусского государственного университета, профессор Совместного института Даляньского политехнического университета и Белорусского государственного университета

Литература

  1. Julicher F, Ajdari A, Prost J. Modeling molecular motors. Reviews of Modern Physics.1997;69(4):1269–1281. DOI:10.1103/ RevModPhys.69.1269.
  2. 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.
  3. Astumian RD, Hanggi P. Brownian motors. Physics Today. 2002;55(11):33–39. DOI: 10.1063/1.1535005.
  4. Bressloff PC, Newby JM. Stochastic models of intracellular transport. Reviews of Modern Physics. 2013;85(1):135–196. DOI: 10.1103/RevModPhys.85.135.
  5. Hoffmann PM. How molecular motors extract order from chaos (a key issues review). Reports on Progress in Physics. 2016; 79(3):032601. DOI: 10.1088/0034-4885/79/3/032601.
  6. Cubero D, Renzoni F. Brownian ratchets: from statistical physics to bio- and nano-motors. Cambridge: Cambridge University Press; 2016. 200 p.
  7. Gulyaev YuV, Bugaev AS, Rozenbaum VM, Trakhtenberg LI. Nanotransport controlled by means of the ratchet effect. Physics – Uspekhi. 2020;63(4):311–326. DOI: 10.3367/UFNe.2019.05.038570.
  8. Dekhtyar ML. Brownian photomotors based on organic compounds: a review. Theoretical and Experimental Chemistry. 2022; 58(2):90–104. DOI: 10.1007/s11237-022-09726-5.
  9. Pierce S. Life’s mechanism. Life. 2023;13(8):1750. DOI:10.3390/life13081750.
  10. Kottas GS, Clarke LI, Horinek D, Michl J. Artificial molecular rotors. Chemical Reviews. 2005;105(4):1281–1376. DOI:10.1021/ cr0300993.
  11. Michl J, Sykes ECH. Molecular rotors and motors: recent advances and future challenges. ACS Nano. 2009;3(5):1042–1048. DOI:10.1021/nn900411n.
  12. Yang T, Zhang R. STM studies for surface-mounted molecular rotors: a mini review. AAPPS Bulletin. 2024;34:6. DOI:10.1007/ s43673-023-00107-1.
  13. Gao L, Liu Q, Zhang YY, Jiang N, Zhang HG, Cheng ZH, et al. Constructing an array of anchored single-molecule rotors on gold surfaces. Physical Review Letters. 2008;101(19):197209. DOI:10.1103/PhysRevLett.101.197209.
  14. Stolz S, Groning O, Prinz J, Brune H, Widmer R. Molecular motor crossing the frontier of classical motion to quantum tunneling motion. PNAS. 2020;117(26):14838–14842. DOI: 10.1073/pnas.1918654117.
  15. Rozenbaum VM, Ogenko VM, Chuiko AA. Vibrational and orientational states of surface atomic groups. Soviet Physics Uspekhi. 1991;34(10):883–902. DOI:10.1070/PU1991v034n10ABEH002525.
  16. Rozenbaum VM, Lin SH. Spectroscopy and dynamics of orientationally structured adsorbates. Singapure: World Scientific; 2002. 208 p.
  17. Koumura N, Zijlstra WJ, van Delden RA, Harada N, Feringa BL. Light-driven monodirectional molecular rotor. Nature.1999; 401(6749):152–155. DOI: 10.1038/43646.
  18. Sheng J, Danowski W, Sardjan AS, Hou J, Crespi S, Ryabchun A, et al. Formylation boosts the performance of light-driven overcrowded alkene-derived rotary molecular motors. Nature Chemistry. 2024;16(8):1330–1338. DOI:10.1038/s41557-024-01521-0.
  19. Rozenbaum VM, Vovchenko OYe, Korochkova TYe. Brownian dipole rotator in alternating electric field. Physical Review E. 2008;77(6):061111. DOI: 10.1103/PhysRevE.77.061111.
  20. Shapochkina IV, Rozenbaum VM. Adiabatic discrete ratchet effect of a rotor in the N-well potential of hindered rotation. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2024;27(2):199–207. DOI:10.5281/zenodo.12621736.
  21. Zhang J, Con C, Cui B. Electron beam lithography on irregular surfaces using an evaporated resist. ACS Nano. 2014;8(4): 3483–3489. DOI:10.1021/nn4064659.
  22. Zharik GA, Dagesyan SA, Soldatov ES, Presnov DE, Krupenin VA. Nanometer scale lithography with evaporated polystyrene. Moscow University Physics Bulletin. 2017;72(6):627–632. DOI: 10.3103/S0027134917060224.
  23. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Trakhtenberg LI. Green’s function method in the theory of Brownian motors. Physics – Uspekhi. 2019;62(5):496–509. DOI: 10.3367/UFNe.2018.04.038347.
  24. Reimann P. Supersymmetric ratchets. Physical Review Letters. 2001;86(22):4992–4995. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.4992.
  25. Denisov S, Flach S, Hanggi P. Tunable transport with broken space – time symmetries. Physics Reports. 2014;538(3):77–120. DOI:10.1016/j.physrep.2014.01.003.
  26. 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.
  27. 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.
  28. Rozenbaum VM, Yang D-Y, Lin SH, Tsong TY. Catalytic wheel as a Brownian motor. Journal of Physical Chemistry B. 2004; 108(40):15880–15889. DOI: 10.1021/jp048200a.
  29. Reimann P, Grifoni M, Hanggi P. Quantum ratchets. Physical Review Letters. 1997;79(1):10–13. DOI:10.1103/PhysRevLett.79.10.
  30. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Trakhtenberg LI. Tunneling mechanism for changing the motion direction of a pulsating ratchet temperature effect. JETP Letters. 2023;118(5):369–375. DOI: 10.1134/S002136402360235X.
  31. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Trakhtenberg LI. Adiabatic ratchet effect in systems with discrete variables. JETP Letters. 2020;112(5):316–322. DOI: 10.1134/S0021364020170075.
  32. Rozenbaum VM. High-temperature Brownian motors: deterministic and stochastic fluctuations of a periodic potential. JETP Letters. 2008;88(5):342–346. DOI:10.1134/S0021364008170128.
  33. Shapochkina IV, Rozenbaum VM. High-temperature diffusion transport: transition processes in symmetric deterministic dichotomic fluctuations of a potential energy. Vestnik BGU. Seriya 1, Fizika. Matematika. Informatika. 2009;2:43–47. Russian.
  34. Shapochkina IV, Rozenbaum VM. High-temperature diffusion transport: asymmetric transition processes in symmetric deterministic dichotomic fluctuations of a potential energy. Vestnik BGU. Seriya 1, Fizika. Matematika. Informatika. 2010;2:41–45. Russian.
  35. 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.
  36. Shapochkina IV, Savina ND, Zaytseva ЕМ, Rozenbaum VM, Ikim MI, Bugaev AS. Adiabatic Brownian motor with a stepwise potential perturbed by a dichotomous harmonic signal. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2021;2:71–80. Russian. DOI: 10.33581/2520-2243-2021-2-71-80.
  37. Makhnovskii YuA, Rozenbaum VM, Yang D-Y, Lin SH, Tsong TY. Flashing ratchet model with high efficiency. Physical Review E. 2004;69(2):021102. DOI: 10.1103/PhysRevE.69.021102.
Опубликован
2024-09-20
Ключевые слова: вращательный рэтчет, заторможенное вращение, диффузионный транспорт, адиабатические броуновские моторы, дихотомный процесс, гармонические флуктуации
Поддерживающие организации Работа частично выполнена в рамках государственной программы научных исследований Республики Беларусь «Фотоника и электроника для инноваций» (задание 1.17.1 «Моделирование и создание фотонных и оптоэлектронных наноструктур на основе графеноподобных материалов для управления оптическим излучением»).
Как цитировать
Шапочкина, И. В., & Розенбаум, В. М. (2024). Вращательный рэтчет, управляемый дихотомным изменением ориентаций приложенного поля. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 62-73. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/6614
Выпуск
№ 3 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Теоретическая физика

Copyright (c) 2024 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).