Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (3), 388-394.

Адіабатичний режим температурного регулювання напрямком руху броунівського мотора



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.388

T. Ye. Korochkova, N. G. Shkoda, V. M. Rozenbaum, E. V. Shakel, I. V. Shapochkina, M. I. Ikim, A. S. Bugayov

Анотація


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.


Ключові слова


дифузійний транспорт; броунівські мотори; ретчет ефект; симетрія ретчет-систем; дихотомний процес; телеграфний шум

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


1. Reimann P. Brownian Motors: Noisy Transport far from Equilibrium. Phys. Rep. 2002. 361(2-4): 57. https://doi.org/10.1016/S0370-1573(01)00081-3

2. Hänggi P., Marchesoni F. Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale. Rev. Mod. Phys. 2009. 81(1): 387. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.387

3. Cubero D., Renzoni F. Brownian Ratchets: From Statistical Physics to Bio and Nanomotors. (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2016). https://doi.org/10.1017/CBO9781107478206

4. Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Trakhtenberg L.I. Green's function method in the theory of Brownian motors. Physics-Uspekhi. 2019. 62(5): 496. https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.04.038347

5. Rozenbaum V.M. Constructive role of chaos: Brownian motors and winning strategies in game theory. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 100. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.100

6. Denisov S., Flach S., Hänggi P. Tunable transport with broken spacetime symmetries. Phys. Rep. 2014. 538: 77. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2014.01.003

7. Cubero D., Renzoni F. Hidden symmetries, instabilities, and current suppression in Brownian ratchets. Phys. Rev. Lett. 2016. 116(1): 010602-1-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.010602

8. Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Teranishi Y., Trakhtenberg L.I. Symmetry of deterministic ratchets. Phys. Rev. E. 2019. 100(2): 022115-1-16. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.022115

9. Korochkova T.E., Rosenbaum V.M., Mashira V.A., Shakel E.V., Shapochkina I.V., Ikim M.I., Gerasimov G.N., Gromov V.F., Bugaev A.S. Spatial-temporal symmetry of Brownian motors controlled by a dichotomous process. Surface. 2019. 11(26): 382. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.382

10. Vysotskaya V.A., Shapochkina I.V., Korochkova T.E., Rosenbaum V.M. Stochastic Brownian motors with small fluctuations in potential energy. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2017. 8(3): 299. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/hftp08.03.299

11. Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Teranishi Y., Trakhtenberg L.I. High-temperature ratchets driven by deterministic and stochastic fluctuations. Phys. Rev. E. 2019. 99(1): 012103-1-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.012103

12. Roth J.S., Zhang Y., Bao P., Cheetham M.R., Han X., Evans S.D. Optimization of Brownian ratchets for the manipulation of charged components within supported lipid bilayers. Appl. Phys. Lett. 2015. 106(18): 183703 (1-4). https://doi.org/10.1063/1.4919801

13. Lau B., Kedem O., Schwabacher J., Kwasnieski D., Weiss E.A. An introduction to ratchets in chemistry and biology. Mater. Horiz. 2017. 4(3): 310. https://doi.org/10.1039/C7MH00062F




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.388

Copyright (©) 2020 T. Ye. Korochkova, N. G. Shkoda, V. M. Rozenbaum, E. V. Shakel, I. V. Shapochkina, M. I. Ikim, A. S. Bugayov