Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора
Brownian motors are a class of nanomechanisms that generate directional motion of Brownian particles under nonequilibrium perturbations. A symmetry analysis of the factors affecting the appearance of a directed current and determining its direction indicates the dependence of the motor characteristi...
Saved in:
| Date: | 2020 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/556 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1860507036607840256 |
|---|---|
| author | Korochkova, T. Ye. Shkoda, N. G. Rozenbaum, V. M. Shakel, E. V. Shapochkina, I. V. Ikim, M. I. Bugayov, A. S. |
| author_facet | Korochkova, T. Ye. Shkoda, N. G. Rozenbaum, V. M. Shakel, E. V. Shapochkina, I. V. Ikim, M. I. Bugayov, A. S. |
| author_sort | Korochkova, T. Ye. |
| baseUrl_str | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:02:21Z |
| description | Brownian motors are a class of nanomechanisms that generate directional motion of Brownian particles under nonequilibrium perturbations. A symmetry analysis of the factors affecting the appearance of a directed current and determining its direction indicates the dependence of the motor characteristics on the phase shift between the potential reliefs of the stationary and fluctuating components of nanoparticle potential energy. The motion of a Brownian particle located in the field of action of an extremely asymmetric stationary sawtooth potential fluctuating as a result of dichotomous effects of spatially harmonic signal is considered. Since the sawtooth potential is easily realized near a surface with a series of electrodes of a certain shape buried inside it, and the dichotomous changes of a spatially harmonic signal are easily created by laser beams, the considered motion of a nanoparticle (Brownian motor) can be realized experimentally. It is known that at sufficiently high temperatures, when the thermal energy exceeds the energy barrier of the sawtooth potential, the direction of motion is determined exclusively by the phase shift of the harmonic signal relative to the extrema of the sawtooth potential.In this article, an analytical expression for the motor average velocity has been obtained, which is valid at arbitrary temperatures, but at low frequencies of dichotomous fluctuations (adiabatic mode). An analysis of the expression has shown that there exists a critical temperature Tc below which the direction of motion loses its dependence on the magnitude of the phase shift, whereas at T > Tc the direction of motion is determined by that shift. In the region of intermediate temperatures T, for each value of the phase shift, one can indicate a temperature Ts > Tc such that at T < Ts the particle moves in one direction, while at T > Ts in the other. |
| doi_str_mv | 10.15407/hftp11.03.388 |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:03Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-556 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:34:03Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5562022-06-29T10:02:21Z Adiabatic temperature control of the direction of motion of a Brownian motor Адиабатический режим температурного регулирования направления движения броуновского мотора Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора Korochkova, T. Ye. Shkoda, N. G. Rozenbaum, V. M. Shakel, E. V. Shapochkina, I. V. Ikim, M. I. Bugayov, A. S. diffusion transport Brownian motors ratchet effect symmetry of ratchet systems dichotomous process telegraph noise дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет ефект симетрія ретчет-систем дихотомний процес телеграфний шум диффузионный транспорт броуновские моторы рэтчет-эффект симметрия рэтчет-систем дихотомный процесс телеграфный шум Brownian motors are a class of nanomechanisms that generate directional motion of Brownian particles under nonequilibrium perturbations. A symmetry analysis of the factors affecting the appearance of a directed current and determining its direction indicates the dependence of the motor characteristics on the phase shift between the potential reliefs of the stationary and fluctuating components of nanoparticle potential energy. The motion of a Brownian particle located in the field of action of an extremely asymmetric stationary sawtooth potential fluctuating as a result of dichotomous effects of spatially harmonic signal is considered. Since the sawtooth potential is easily realized near a surface with a series of electrodes of a certain shape buried inside it, and the dichotomous changes of a spatially harmonic signal are easily created by laser beams, the considered motion of a nanoparticle (Brownian motor) can be realized experimentally. It is known that at sufficiently high temperatures, when the thermal energy exceeds the energy barrier of the sawtooth potential, the direction of motion is determined exclusively by the phase shift of the harmonic signal relative to the extrema of the sawtooth potential.In this article, an analytical expression for the motor average velocity has been obtained, which is valid at arbitrary temperatures, but at low frequencies of dichotomous fluctuations (adiabatic mode). An analysis of the expression has shown that there exists a critical temperature Tc below which the direction of motion loses its dependence on the magnitude of the phase shift, whereas at T > Tc the direction of motion is determined by that shift. In the region of intermediate temperatures T, for each value of the phase shift, one can indicate a temperature Ts > Tc such that at T < Ts the particle moves in one direction, while at T > Ts in the other. Броуновские моторы – класс наномеханизмов, генерирующих направленное движение броуновских частиц под действием неравновесных возмущений. Симметрийный анализ факторов, влияющих на возникновение направленного потока и определяющих его направление, указывает на зависимость характеристик мотора от фазового сдвига между потенциальными рельефами стационарной и флуктуирующей компонент потенциальной энергии наночатицы. Рассмотрено движение броуновской частицы, находящейся в поле действия предельно асимметричного стационарного пилообразного потенциала, флуктуирующего в результате дихотомных воздействий пространственно гармонического сигнала. Поскольку пилообразный потенциал легко реализуется вблизи поверхности с нанесенной решеткой электродов определенной формы, а дихотомные изменения пространственно гармонического сигнала легко моделируются лазерными пучками, то рассматриваемое движение наночастицы (броуновского мотора) может быть реализовано экспериментально. Известно, что при достаточно высоких температурах, когда тепловая энергия превышает энергетический барьер пилообразного потенциала, направление движения определяется исключительно фазовым сдвигом гармонического сигнала относительно экстремумов пилообразного потенциала. В данной статье получено аналитическое выражение для средней скорости движения мотора, справедливое при произвольных температурах, но низких частотах дихотомных флуктуаций (адиабатический режим). Анализ выражения показал, что существует критическая температура Tc, ниже которой направление движения теряет зависимость от величины фазового сдвига, тогда как при T > Tc направление движения определяется этим сдвигом. В области промежуточных температур T для каждого значения фазового сдвига можно указать такую температуру Ts > Tc, что при T < Ts частица движется в одну сторону, а при T > Ts ? в другую. Броунівські мотори – клас наномеханізмів, що генерують направлений рух броунівських частинок під дією нерівноважних збурень. Симетрійний аналіз факторів, що впливають на виникнення направленого потоку і визначають його напрям, вказує на залежність характеристик мотора від фазового зсуву між потенціальними рельєфами стаціонарної і флуктуючої компонент потенціальної енергії наночастинки. Розглянуто рух броунівської частинки, що знаходиться в полі дії гранично асиметричного стаціонарного пилоподібного потенціалу, що флуктуює в результаті дихотомних впливів просторово гармонійного сигналу. Оскільки пилоподібний потенціал легко реалізується поблизу поверхні з нанесеною ґраткою електродів певної форми, а дихотомні зміни просторово гармонійного сигналу легко моделюються лазерними пучками, то рух наночастинки (броунівського мотора), що розглядається, може бути реалізовано експериментально. Відомо, що при досить високих температурах, коли теплова енергія перевищує енергетичний бар’єр пилоподібного потенціалу, напрямок руху визначається виключно фазовим зсувом гармонійного сигналу щодо екстремумів пилоподібного потенціалу. У даній статті отримано аналітичний вираз для середньої швидкості руху мотора, справедливий при довільних температурах, але низьких частотах дихотомних флуктуацій (адіабатичний режим). Аналіз виразу показав, що існує критична температура Tc, нижче якої напрямок руху втрачає залежність від величини фазового зсуву, тоді як при T > Tc напрямок руху визначається цим зсувом. В області проміжних температур T для кожного значення фазового зсуву можна вказати таку температуру Ts > Tc, що при T < Ts частинка рухається в один бік, а при T > Ts – в іншій. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2020-09-01 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/556 10.15407/hftp11.03.388 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 11 No. 3 (2020): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 388-394 Химия, физика и технология поверхности; Том 11 № 3 (2020): Химия, физика и технология поверхности; 388-394 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 11 № 3 (2020): Хімія, фізика та технологія поверхні; 388-394 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp11.03 ru https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/556/559 Copyright (c) 2020 T. Ye. Korochkova, N. G. Shkoda, V. M. Rozenbaum, E. V. Shakel, I. V. Shapochkina, M. I. Ikim, A. S. Bugayov |
| spellingShingle | дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет ефект симетрія ретчет-систем дихотомний процес телеграфний шум Korochkova, T. Ye. Shkoda, N. G. Rozenbaum, V. M. Shakel, E. V. Shapochkina, I. V. Ikim, M. I. Bugayov, A. S. Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора |
| title | Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора |
| title_alt | Adiabatic temperature control of the direction of motion of a Brownian motor Адиабатический режим температурного регулирования направления движения броуновского мотора |
| title_full | Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора |
| title_fullStr | Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора |
| title_full_unstemmed | Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора |
| title_short | Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора |
| title_sort | адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора |
| topic | дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет ефект симетрія ретчет-систем дихотомний процес телеграфний шум |
| topic_facet | diffusion transport Brownian motors ratchet effect symmetry of ratchet systems dichotomous process telegraph noise дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет ефект симетрія ретчет-систем дихотомний процес телеграфний шум диффузионный транспорт броуновские моторы рэтчет-эффект симметрия рэтчет-систем дихотомный процесс телеграфный шум |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/556 |
| work_keys_str_mv | AT korochkovatye adiabatictemperaturecontrolofthedirectionofmotionofabrownianmotor AT shkodang adiabatictemperaturecontrolofthedirectionofmotionofabrownianmotor AT rozenbaumvm adiabatictemperaturecontrolofthedirectionofmotionofabrownianmotor AT shakelev adiabatictemperaturecontrolofthedirectionofmotionofabrownianmotor AT shapochkinaiv adiabatictemperaturecontrolofthedirectionofmotionofabrownianmotor AT ikimmi adiabatictemperaturecontrolofthedirectionofmotionofabrownianmotor AT bugayovas adiabatictemperaturecontrolofthedirectionofmotionofabrownianmotor AT korochkovatye adiabatičeskijrežimtemperaturnogoregulirovaniânapravleniâdviženiâbrounovskogomotora AT shkodang adiabatičeskijrežimtemperaturnogoregulirovaniânapravleniâdviženiâbrounovskogomotora AT rozenbaumvm adiabatičeskijrežimtemperaturnogoregulirovaniânapravleniâdviženiâbrounovskogomotora AT shakelev adiabatičeskijrežimtemperaturnogoregulirovaniânapravleniâdviženiâbrounovskogomotora AT shapochkinaiv adiabatičeskijrežimtemperaturnogoregulirovaniânapravleniâdviženiâbrounovskogomotora AT ikimmi adiabatičeskijrežimtemperaturnogoregulirovaniânapravleniâdviženiâbrounovskogomotora AT bugayovas adiabatičeskijrežimtemperaturnogoregulirovaniânapravleniâdviženiâbrounovskogomotora AT korochkovatye adíabatičnijrežimtemperaturnogoregulûvannânaprâmkomruhubrounívsʹkogomotora AT shkodang adíabatičnijrežimtemperaturnogoregulûvannânaprâmkomruhubrounívsʹkogomotora AT rozenbaumvm adíabatičnijrežimtemperaturnogoregulûvannânaprâmkomruhubrounívsʹkogomotora AT shakelev adíabatičnijrežimtemperaturnogoregulûvannânaprâmkomruhubrounívsʹkogomotora AT shapochkinaiv adíabatičnijrežimtemperaturnogoregulûvannânaprâmkomruhubrounívsʹkogomotora AT ikimmi adíabatičnijrežimtemperaturnogoregulûvannânaprâmkomruhubrounívsʹkogomotora AT bugayovas adíabatičnijrežimtemperaturnogoregulûvannânaprâmkomruhubrounívsʹkogomotora |