Обращение направления движения броуновского рэтчета, наведенное обращением кривизны рэтчет-потенциала

Авторы

  • Виктор Михайлович Розенбаум Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Алексей Геннадьевич Рудаковский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Ирина Викторовна Шапочкина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

броуновский рэтчет, диффузионный транспорт, неравновесные флуктуации, дихотомный процесс, периодический потенциал, универсальная симметрия
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»).

Аннотация

Исследуется броуновское движение частицы в стационарном потенциальном профиле универсальной симметрии, дрейф которой происходит вследствие дихотомных флуктуаций этого профиля. Координатная зависимость дихотомных флуктуаций описывается симметричной или антисимметричной периодическими функциями. В отличие от существующих моделей рэтчет-систем асимметрия рассматриваемой системы вносится флуктуациями за счет сдвига положений осей или центров их симметрии относительно стационарного профиля. В высокотемпературном приближении получены аналитические соотношения для частотной зависимости средней скорости рэтчета, из которых следует наличие рэтчет-эффекта при учете двух пространственных гармоник флуктуационного потенциала. Температурные зависимости средней скорости рассчитаны в адиабатическом режиме движения. Показано, что обращение кривизны стационарной составляющей потенциального профиля при пространственно симметричных флуктуациях может приводить к обращению направления движения. Проанализированы зависимости средней скорости от частоты флуктуаций, сдвига осей симметрии стационарного и флуктуирующего вкладов в потенциальную энергию, а также от отношений амплитуд этих вкладов к тепловой энергии. Выявлены оптимальные режимы движения рассматриваемой рэтчет-системы.

Биографии авторов

  • Виктор Михайлович Розенбаум, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    доктор физико-математических наук, профессор; ведущий научный сотрудник кафедры компьютерного моделирования физического факультета БГУ, профессор Совместного института Даляньского политехнического университета и БГУ

  • Алексей Геннадьевич Рудаковский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    студент физического факультета. Научный руководитель – В. М. Розенбаум

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

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

Библиографические ссылки

  1. Parrondo JMR. Reversible ratchets as Brownian particles in an adiabatically changing periodic potential. Physical Review E. 1998;57(6):7297–7300. DOI: 10.1103/PhysRevE.57.7297.
  2. Howard J. Mechanics of motor proteins and the cytoskeleton. Sunderland: Sinauer Associates; 2001. XVI, 367 p.
  3. 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.
  4. Hänggi P, Marchesoni F. Artificial Brownian motors: controlling transport on the nanoscale. Reviews of Modern Physics. 2009;81(1):387–442. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.387.
  5. Schadschneider A, Chowdhury D, Nishinari K. Stochastic transport in complex systems: from molecules to vehicles. Amsterdam: Elsevier; 2011. XX, 557 p. DOI: 10.1016/C2009-0-16900-3.
  6. Bressloff PC, Newby JM. Stochastic models of intracellular transport Reviews of Modern Physics. 2013;85(1):135–196. DOI: 10.1103/RevModPhys.85.135.
  7. Cubero D, Renzoni F. Brownian ratchets: from statistical physics to bio- and nano-motors. Cambridge: Cambridge University Press; 2016. XII, 186 p. DOI: 10.1017/CBO9781107478206.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Reimann P. Supersymmetric ratchets. Physical Review Letters. 2001;86(22):4992–4995. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.4992.
  11. 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.
  12. 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.
  13. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Teranishi Y, Trakhtenberg LI. Symmetry of pulsating ratchets. JETP Letters. 2018;107(8):506–511. DOI: 10.1134/S0021364018080039.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. Astumian RD, Bier M. Fluctuation driven ratchets: molecular motors. Physical Review Letters. 1994;72(11):1766–1769. DOI: 10.1103/PhysRevLett.72.1766.
  18. Rozenbaum VM. Mechanism for the appearance of a high-efficiency Brownian motor with fluctuating potential. JETP Letters. 2004;79(8):388–391. DOI: 10.1134/1.1772438.
  19. 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.
  20. Reimann P, Grifoni M, Hänggi P. Quantum ratchets. Physical Review Letters. 1997;79(1):10–13. DOI: 10.1103/PhysRevLett.79.10.
  21. Shapochkina IV, Rozenbaum VM, Trusevich NG, Trakhtenberg LI. Force-dependent fluxes of adiabatic classical and quantum rocking ratchets. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2022;25(4):349–358. DOI: 10.33581/1561-4085-2022-25-4-349-358.
  22. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Teranishi Y, Witek HA, Trakhtenberg LI. Force-dependent motion reversal in quantum rocking ratchets. Journal of the Chinese Chemical Society. 2023;70(3):421–431. DOI: 10.1002/jccs.202200510.
  23. 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.
  24. Astumian RD. Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor. Science. 1997;276(5314):917–922. DOI: 10.1126/science.276.5314.917.
  25. Astumian RD, Hänggi P. Brownian motors. Physics Today. 2002;55(11):33–39. DOI: 10.1063/1.1535005.
  26. Rozenbaum VM, Shapochkina IV, Korochkova TE. Adiabatic Brownian ratchets with the inclusion of inertia. JETP Letters. 2014;98(9):568–572. DOI: 10.1134/S0021364013220086.
  27. Rozenbaum VM, Makhnovskii YuA, Shapochkina IV, Sheu S-Y, Yang D-Y, Lin SH. Inertial effects in adiabatically driven flashing ratchets. Physical Review E. 2014;89(5):052131. DOI: 10.1103/PhysRevE.89.052131.
  28. Shapochkina IV, Savina ND, Rozenbaum VM, Korochkova TE. 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.
  29. 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.
  30. Renzoni F. Ratchets from the cold: Brownian motors with cold atoms in optical lattices. Europhysics News. 2012;43(1):26–30. DOI: 10.1051/epn/2012105.
  31. Arzola AV, Villasante-Barahona M, Volke-Sepúlveda K, Jákl P, Zemánek P. Omnidirectional transport in fully reconfigurable two dimensional optical ratchets. Physical Review Letters. 2017;118(13):138002. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.138002.
  32. Grynberg G, Robilliard C. Cold atoms in dissipative optical lattices. Physics Reports. 2001;355(5–6):335–451. DOI: 10.1016/S0370-1573(01)00017-5.
  33. 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.
  34. Gorre-Talini L, Spatz JP, Silberzan P. Dielectrophoretic ratchets. Chaos. 1998;8(3):650–656. DOI: 10.1063/1.166347.
  35. Herman A, Ager JW, Ardo S, Segev G. Ratchet-based ion pumps for selective ion separations. PRX Energy. 2023;2(2):023001. DOI: 10.1103/PRXEnergy.2.023001.
  36. de Souza Silva CC, Van de Vondel J, Morelle M, Moshchalkov VV. Controlled multiple reversals of a ratchet effect. Nature. 2006;440(7084):651–654. DOI: 10.1038/nature04595.
  37. Kedem O, Lau B, Ratner MA, Weiss EA. Light-responsive organic flashing electron ratchet. PNAS. 2017;114(33):8698–8703. DOI: 10.1073/pnas.1705973114.
  38. Michl J, Sykes ECH. Molecular rotors and motors: recent advances and future challenges. ACS Nano. 2009;3(5):1042–1048. DOI: 10.1021/nn900411n.
  39. Shapochkina IV, Rozenbaum VM. Rotational ratchet controlled by dichotomous changes in applied field orientations. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2024;3:62–73. EDN: EYNLGO.

Загрузки

Опубликован

2025-11-05

Выпуск

№ 2 (2025): Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Раздел

Теоретическая физика

Лицензия

Copyright (c) 2025 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).

Как цитировать

(1)
Розенбаум, В. М.; Рудаковский, А. Г.; Шапочкина, И. В. Обращение направления движения броуновского рэтчета, наведенное обращением кривизны рэтчет-потенциала. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2025, вып. 2, 85-95.