Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій
A relevant and important question in studying the transport of nanoparticles is the possibility and methods of controlling the generated currents. One of the possibilities is to use the ratchet effect, i.e. the occurrence of directed motion as a result of the influence of nonequilibrium fluctuations...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/557 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543922091720704 |
|---|---|
| author | Terets, A. D. Korochkova, T. Ye. Rozenbaum, V. M. Mashira, V. A. Shapochkina, I. V. Furs, A. N. Ikim, M. I. Gromov, V. F. |
| author_facet | Terets, A. D. Korochkova, T. Ye. Rozenbaum, V. M. Mashira, V. A. Shapochkina, I. V. Furs, A. N. Ikim, M. I. Gromov, V. F. |
| author_sort | Terets, A. D. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:02:21Z |
| description | A relevant and important question in studying the transport of nanoparticles is the possibility and methods of controlling the generated currents. One of the possibilities is to use the ratchet effect, i.e. the occurrence of directed motion as a result of the influence of nonequilibrium fluctuations of various nature when one or more symmetries in the system are broken. To implement the ratchet effect, a deterministic dichotomous process is often used, which can be modeled by two alternating states that have constant characteristics. Usually, the main factor determining the direction of motion of a Brownian motor is the spatial asymmetry of the potential profile. In certain cases, for example, for a double-well potential profile, one can relatively easily investigate the conditions for reversal of the direction of motor motion. In this paper, using the idea of Parrondo’s paradox games consisting of alternating strategies of a game that provides an average winning, we simulated the ratchet effect for a diffusion hopping model of an adiabatic Brownian motor with an asymmetric double-well on-off potential. The conditions affecting the direction of nanoparticle motion are investigated, the possibility of temperature control of the motion direction is shown, and an estimate of the generated average velocity of the Brownian motor in the adiabatic approximation is obtained. The motor functioning is simulated in terms of the game theory and the average trajectories of capital accumulation are obtained, which correspond to the trajectories of the average displacement of a Brownian particle due to the ratchet effect. For the chosen model, it is shown that, at low temperatures, a particle moves to the right in accordance with the simplest on-off ratchet model, while, at high temperatures, the motion reverses. A comparison of the simulation results with the values of the ratchet velocity obtained within the adiabatic approximation shows that this approximation becomes valid at sufficiently large values of the lifetimes of the states of the dichotomous process, and it turns out to be much more accurate in the high-temperature region than in the low-temperature one. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:04Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-557 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:34:04Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5572022-06-29T10:02:21Z Motion reversal modeling for a Brownian particle affected by nonequilibrium fluctuations Моделирование обращения движения броуновской частицы под действием неравновесных флуктуаций Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій Terets, A. D. Korochkova, T. Ye. Rozenbaum, V. M. Mashira, V. A. Shapochkina, I. V. Furs, A. N. Ikim, M. I. Gromov, V. F. diffusion transport Brownian motors ratchet effect movement reversal dichotomous process Parrondo’s paradox games дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет-ефект обернення руху дихотомний процес парадоксальні ігри Парондо диффузионный транспорт броуновские моторы рэтчет-эффект обращение движения дихотомный процесс парадоксальные игры Паррондо A relevant and important question in studying the transport of nanoparticles is the possibility and methods of controlling the generated currents. One of the possibilities is to use the ratchet effect, i.e. the occurrence of directed motion as a result of the influence of nonequilibrium fluctuations of various nature when one or more symmetries in the system are broken. To implement the ratchet effect, a deterministic dichotomous process is often used, which can be modeled by two alternating states that have constant characteristics. Usually, the main factor determining the direction of motion of a Brownian motor is the spatial asymmetry of the potential profile. In certain cases, for example, for a double-well potential profile, one can relatively easily investigate the conditions for reversal of the direction of motor motion. In this paper, using the idea of Parrondo’s paradox games consisting of alternating strategies of a game that provides an average winning, we simulated the ratchet effect for a diffusion hopping model of an adiabatic Brownian motor with an asymmetric double-well on-off potential. The conditions affecting the direction of nanoparticle motion are investigated, the possibility of temperature control of the motion direction is shown, and an estimate of the generated average velocity of the Brownian motor in the adiabatic approximation is obtained. The motor functioning is simulated in terms of the game theory and the average trajectories of capital accumulation are obtained, which correspond to the trajectories of the average displacement of a Brownian particle due to the ratchet effect. For the chosen model, it is shown that, at low temperatures, a particle moves to the right in accordance with the simplest on-off ratchet model, while, at high temperatures, the motion reverses. A comparison of the simulation results with the values of the ratchet velocity obtained within the adiabatic approximation shows that this approximation becomes valid at sufficiently large values of the lifetimes of the states of the dichotomous process, and it turns out to be much more accurate in the high-temperature region than in the low-temperature one. Актуальным и важным вопросом при изучении транспорта наночастиц является возможность и методы управления создаваемыми потоками. Одна из возможностей – использование рэтчет-эффекта, а именно, возникновения направленного движения в результате воздействия неравновесных флуктуаций различной природы при нарушении одной или нескольких симметрий в системе. Для реализации рэтчет-эффекта часто используется детерминистический дихотомный процесс, который можно моделировать двумя чередующимися состояниями, имеющими постоянные характеристики. Обычно основной фактор, определяющий направление движения броуновского мотора, – пространственная асимметрия потенциального профиля. В определенных случаях, например, для двухъямного потенциального профиля, можно относительно легко исследовать условия, вызывающие обращение направления движения мотора. В данной работе, используя идею парадоксальных игр Паррондо, состоящих в чередовании стратегий игры, обеспечивающей средний выигрыш, проведено моделирование рэтчет-эффекта для диффузионной прыжковой модели адиабатического броуновского мотора с асимметричным двухъямным потенциалом on-off. Исследованы условия, влияющие на направление движения наночастиц, показана возможность температурного регулирования этого направления, получена оценка генерируемой средней скорости броуновского мотора в адиабатическом приближении. Проведено моделирование работы мотора в терминах теории игр и получены усредненные траектории накопления капитала, что соответствует траекториям среднего смещения броуновской частицы при работе мотора. Для выбранной модели показано, что при низких температурах частица движется направо в соответствии с простейшей моделью on-off-рэтчета, тогда как при высоких температурах происходит обращение движения. Сопоставление результатов моделирования со значениями скорости рэтчета, полученными в адиабатическом приближении, показывает, что это приближение становится справедливым при достаточно больших значениях времен жизни состояний дихотомного процесса, причем в высокотемпературной области оно оказывается намного точнее, чем в низкотемпературной. Актуальним і важливим питанням при вивченні транспорту наночастинок є можливість і методи управління створюваними потоками. Одна з можливостей - використання ретчет-ефекту, а саме, виникнення направленого руху в результаті впливу нерівноважних флуктуацій різної природи при порушенні однієї або декількох симетрій в системі. Для реалізації ретчет-ефекту часто використовується детерміністичний дихотомний процес, який можна моделювати двома станами, що чергуються та характеризуються сталими характеристиками. Зазвичай основний фактор, що визначає напрямок руху броунівського мотора, - просторова асиметрія потенціального профілю. У певних випадках, наприклад, для двоямного потенціального профілю, можна відносно легко досліджувати умови, що викликають обернення напрямку руху мотора. У даній роботі, використовуючи ідею парадоксальних ігор Парондо з чергуванням стратегій гри так, що забезпечується середній виграш, проведено моделювання ретчет-ефекту для дифузійної стрибкової моделі адіабатичного броунівського мотора з асиметричним двоямним потенціалом on-off. Досліджено умови, що впливають на напрямок руху наночастинок, показано можливість температурного регулювання цього напрямку, отримано оцінку середньої швидкості броунівського мотора в адіабатичному наближенні. Проведено моделювання роботи мотора в термінах теорії ігор та отримано усереднені траєкторії накопичення капіталу, що відповідає траєкторіям середнього зміщення броунівської частинки в результаті роботи мотора. Для обраної моделі показано, що при низьких температурах частинка рухається праворуч у відповідності з найпростішою моделлю on-off ретчета, потім відбувається обернення руху, і при високих температурах частинка рухається вже ліворуч. Порівняння результатів моделювання зі швидкістю ретчета, отриманою в адіабатичному наближенні, показує, що адіабатичне наближення стає справедливим при досить великих значеннях часів життя станів дихотомного процесу, причому у високотемпературній області воно виявляється набагато точніше, ніж у низькотемпературній. 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/557 10.15407/hftp11.03.395 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 11 No. 3 (2020): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 395-404 Химия, физика и технология поверхности; Том 11 № 3 (2020): Химия, физика и технология поверхности; 395-404 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 11 № 3 (2020): Хімія, фізика та технологія поверхні; 395-404 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp11.03 ru https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/557/560 Copyright (c) 2020 A. D. Terets, T. Ye. Korochkova, V. M. Rozenbaum, V. A. Mashira, I. V. Shapochkina, A. N. Furs, M. I. Ikim, V. F. Gromov |
| spellingShingle | дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет-ефект обернення руху дихотомний процес парадоксальні ігри Парондо Terets, A. D. Korochkova, T. Ye. Rozenbaum, V. M. Mashira, V. A. Shapochkina, I. V. Furs, A. N. Ikim, M. I. Gromov, V. F. Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій |
| title | Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій |
| title_alt | Motion reversal modeling for a Brownian particle affected by nonequilibrium fluctuations Моделирование обращения движения броуновской частицы под действием неравновесных флуктуаций |
| title_full | Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій |
| title_fullStr | Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій |
| title_full_unstemmed | Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій |
| title_short | Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій |
| title_sort | моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій |
| topic | дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет-ефект обернення руху дихотомний процес парадоксальні ігри Парондо |
| topic_facet | diffusion transport Brownian motors ratchet effect movement reversal dichotomous process Parrondo’s paradox games дифузійний транспорт броунівські мотори ретчет-ефект обернення руху дихотомний процес парадоксальні ігри Парондо диффузионный транспорт броуновские моторы рэтчет-эффект обращение движения дихотомный процесс парадоксальные игры Паррондо |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/557 |
| work_keys_str_mv | AT teretsad motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT korochkovatye motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT rozenbaumvm motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT mashirava motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT shapochkinaiv motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT fursan motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT ikimmi motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT gromovvf motionreversalmodelingforabrownianparticleaffectedbynonequilibriumfluctuations AT teretsad modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT korochkovatye modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT rozenbaumvm modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT mashirava modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT shapochkinaiv modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT fursan modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT ikimmi modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT gromovvf modelirovanieobraŝeniâdviženiâbrounovskojčasticypoddejstviemneravnovesnyhfluktuacij AT teretsad modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj AT korochkovatye modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj AT rozenbaumvm modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj AT mashirava modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj AT shapochkinaiv modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj AT fursan modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj AT ikimmi modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj AT gromovvf modelûvannâobernennâruhubrounívsʹkoíčastinkipíddíêûnerívnovažnihfluktuacíj |