Low-temperature quantum fluctuations in overdamped ratchets
在低温和强摩擦下，位置密度分布的时间演化遵循量子Smoluchowski方程。最近，也已系统地导出了量子涨落对漂移和扩散系数的高阶贡献。作为一种非平凡的情形，为了揭示次级量子修正的影响和证明微扰级数的收敛性质，研究了棘轮中的定向输运。结果表明，扰动级数通常具有非单调的行为。根据对称性，高阶贡献甚至可以补偿由领先的量子涨落引起的电流反转。这个分析演示了如何一致地处理过阻尼量子系统的动力学在低温下也在数值应用。
2010-07-30 cond-mat.stat-mech
Optimal Ratchet Potentials for Run-and-Tumble particles
奔跑翻滚的颗粒，模仿微生物的行为，如E。大肠杆菌是活性物质的典型模型。由于自推进，它们的随机和无向运动可以在棘轮电势中得到纠正。利用微扰场论，我们确定了产生最大粒子流的势的形状作为粒子参数的函数。
2022-04-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Quantum Brownian motion in ratchet potentials
本文研究了在交变力场作用下棘轮势中量子粒子的动力学行为。我们发展了一个微扰方法弱棘轮势和力场。在这种方法中，我们得到了直流电流整流和电流反转的解析描述。各种限制的情况下，如经典的限制，限制的高或低的频率，和/或高温的运输特性-明确推导。为了深入了解整流电流对相关参数的复杂依赖关系，我们确定了特征尺度，并获得棘轮系统的响应尺度函数。我们特别注意惯性效应，并表明它们通常是相关的，例如，在高温下。我们发现整流电流的高温衰减遵循一个非平凡指数的代数定律，$j\propto T^{-17/6}$。
2002-01-02 cond-mat.stat-mech
Experimental realization of Feynman's ratchet
费曼棘轮是一个与两个热源接触的微观机器，温度为$T_A$和$T_B$，由理查德·费曼提出来说明热力学第二定律。在平衡状态（$T_A=T_B$），热波动阻止棘轮产生定向运动。当棘轮因温差（$T_A \ne T_B$）而保持远离平衡时，它可以作为热机运行，纠正热波动以做功。虽然它吸引了很多兴趣，但由于技术上的挑战，费曼棘轮作为热机的操作还没有在实验上实现。在这项工作中，我们实现了费曼的棘轮与胶体粒子在一个一维的光阱中与两个热源接触：一个是周围的水，而另一个水库的效果是由一种新的反馈机制产生的，使用Metropolis算法施加细致平衡。我们验证了系统不产生工作时，$T_A=T_B$，它成为一个微观热机时，$T_A \ne T_B$。我们分析的功能的温差和外部负载的工作，热和熵产生。我们的Feynman棘轮和Metropolis算法的实验实现也可用于研究反馈控制和信息处理的热力学、分子马达的工作机制和可控粒子输运。
2017-11-14 cond-mat.stat-mech
Dynamical States, Stochastic Resonance and Ratchet Effect in a Biharmonically Driven Sinusoidal Potential
在适当的条件下，在正弦势场中，在低幅值双谐外场的驱动下，欠阻尼粒子的运动轨迹自然地呈现出两种稳定的动力学状态。这些状态在低温下相当稳定，但随着温度的升高，它们之间会发生转变。双谐波传动的合理选择使系统能同时表现出{ \it{both} }随机共振和棘轮效应。棘轮效应，在这种情况下，双谐波驱动的后果，是在一个大的域的参数空间。然而，随机共振只能在参数空间的一个有限的（子）域上获得，并且它的存在很大程度上归功于两个动力学状态的存在。
2015-02-02 cond-mat.stat-mech
Analytical Solution to Transport in Brownian Ratchets via Gambler's Ruin Model
我们提出了一个类比之间的经典赌徒的破产问题和热激活动力学周期布朗棘轮。通过将棘轮的每个周期单元看作一个位置链，计算了相邻单元能量极小值之间跃迁的跃迁概率和平均首次通过时间。我们考虑马尔可夫二分噪声驱动的布朗棘轮的具体情况。电流的显式解推导出任意温度，并通过数值朗之万模拟验证。得到了棘轮中电流消失和电流反转的条件，并进行了讨论。
2007-01-21 cond-mat.stat-mech
Feynman-Smoluchowski engine at high temperatures and the role of constraints
费曼的棘轮和棘爪是在介观状态下利用热涨落进行能量转换的典范模型。在这里，我们优化的功率输出的棘轮作为一个热机在高温的限制，并获得的普遍性，在最大功率的效率高达二阶，使用非线性近似。另一方面，可以通过以不同方式约束内能尺度来优化线性模型。结果表明，简单的约束导致众所周知的有限时间热力学热效率的表达式。因此，约束棘轮，在线性制度，已被映射到一个有效的有限时间热力学模型。
2018-05-10 cond-mat.stat-mech
Ratchet effect in inhomogeneous inertial systems: I. Adiabatic case
本文用Risken矩阵连分式法求解Fokker-Planck方程，计算了惯性对称（正弦）周期势中的粒子流。粒子在摩擦系数随势在空间也周期性变化的介质中运动，但具有有限的相位差$ϕ(\ne nπ, n=0,1,2, ...)$。电流与外加力$\pm|F|$的代数和给出绝热极限下的棘轮电流。尽管摩擦不均匀性的影响很小，但棘轮电流仍表现出非常丰富的定性特征。给出了$F$、温度$T$和平均摩擦系数$γ_0$的变化对棘轮性能特性的影响。
2008-07-18 cond-mat.stat-mech
Transport coherence in a time-asymmetric rocked ratchet model
研究了锯齿势中存在时间非对称驱动力时过阻尼布朗粒子的动力学行为。我们观察到，在确定性的限制，输运相干性，这是由一个无量纲的量称为Peclet数，$Pe$是相当高的棘轮势较大的空间不对称性。对于该模型的参数空间的所有区域，$Pe$遵循类似斯托克斯效率的电流性质。作为驱动幅度的函数的扩散显示出最小值，恰好在该最小值处电流显示出最大值。与先前研究的模型不同，作为温度的函数的$Pe$显示出峰值行为，并且在高温下输运的相干性降低。在非绝热状态下，作为驱动幅度函数的$Pe$减小，并且峰值变得更宽，因此传输变得不可靠。
2016-12-14 cond-mat.stat-mech
Flashing subdiffusive ratchets in viscoelastic media
我们研究了周期性和随机闪烁电位中的亚扩散棘轮输运。由于粘弹性环境的影响，中心布朗粒子与周围的辅助布朗准粒子弹性耦合。与布朗运动的标准动力学模型类似，外力只影响中心粒子的运动，而不直接影响环境自由度（见视频）。只需少数辅助布朗粒子就足以模拟许多时间几十年的次扩散。时间调制的潜力违反了热细致平衡的对称性，并诱导异常subdiffusive电流表现出显着的质量在低温下，以及一些其他令人惊讶的功能，如在低温下的饱和，和多个反转的传输方向上的驱动频率的变化在非绝热制度。我们的研究概括了经典的布朗电机在粘性粘弹性环境中工作，如生物细胞的细胞质或致密的聚合物溶液。
2012-01-25 cond-mat.stat-mech
A random walker on a ratchet
我们分析了一个步行者在棘轮势上移动的模型。这个模型是由运动蛋白，如驱动蛋白和肌球蛋白的运输性质的动机。步行者由两个脚组成，表示为两个粒子通过一个势能非线性耦合。与线性耦合相反，量子势允许更丰富的动力学，其中粒子的排序可以在行走期间交替。两个稳定状态之间的过渡的势能对应于交替粒子的行走。我们区分两种主要的行走方式：交替和没有交替，类似于手在手和尺蠖行走的马达蛋白，分别。当两个粒子之间的平衡距离除以棘轮的周期性是一个整数时，我们得到了电流的最大值，表明最佳的运输。
2005-07-01 cond-mat.stat-mech
Transport coefficients for a confined Brownian ratchet operating between two heat reservoirs
讨论了抛物势模型下布朗粒子在具有软壁的周期性非对称通道中的二维扩散。在通道中，粒子在横向和纵向上经历不同的噪声强度或温度。该模型的灵感来自著名的费曼的棘轮和棘爪。利用Fick-Jacobs近似的思想，我们导出了粒子的平均速度、有效扩散系数和势单胞中的定态几率密度。对于较小的沟道宽度，推导出的结果是准确的。然而，我们检查精确的数值计算，他们定性地描述观察到的棘轮效应的任意宽度的通道。
2016-07-28 cond-mat.stat-mech
Reversible Transport of Interacting Brownian Ratchets
数值研究了相互作用布朗粒子在周期性非对称（棘轮）基底中的输运。在零温度状态下，系统表现为可逆步进电机，随着以下参数的变化而经历粒子电流的多次符号反转：钉扎势参数、粒子占据数和激发振幅。反转是由衬底产生的有效棘轮势的对称性和被有效钉扎的粒子的分数的连续变化引起的。在高温和低频率下，热噪声有助于被钉扎粒子的离域，使系统沿着衬底电势的较温和方向恢复净运动。另一方面，高温和高频的联合效应引起额外的电流反转，这一次有利于沿着棘轮电势更陡的方向运动。详细分析了这些性质与棘轮参数和粒子密度的关系。
2008-12-30 cond-mat.stat-mech cond-mat.supr-con
Autonomous Ratcheting by Stochastic Resetting
本文提出一种一维周期势中Brownian粒子的随机重置机制，粒子随机重置至当前势阱底部，数值模拟表明在镜像不对称势中该机制能纠正粒子动力学产生最大漂移速度，可解释分子马达和微生物的定向自主运动。
2023-07-12 cond-mat.stat-mech
Rectification of Fluctuations in an Underdamped Ratchet
本文解析地研究了欠阻尼粒子在确定性周期势和周期温度作用下的运动。尽管欠振幅粒子在逸出阱和沿势运动过程中多次经历温度振荡，但仍发现一个与摩擦常数成线性关系的净定向电流，如果势和温度调制都是具有相位滞后$δ$的正弦调制，则该电流与$\sin δ$成正比。
1998-04-20 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Threshold feedback control for a collective flashing ratchet: threshold dependence
我们研究了集体闪烁棘轮的阈值控制协议。特别是，我们分析的阈值上的值的电流的依赖性。我们已经找到了小的阈值依赖性的几个和许多粒子的情况下的解析表达式。对于少数粒子，电流是阈值的递减函数，因此，对于零阈值达到最大电流。相反，对于许多粒子，最佳阈值具有非零的有限值。我们已经数值检查的关系，允许获得的最佳阈值为无限数量的粒子从最佳周期的周期性协议。这些最佳阈值的无限数量的粒子给出了良好的结果，许多粒子。此外，由于电流对这些阈值的平滑依赖性，它们也为少数粒子提供了良好的结果。
2006-09-04 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Mechanical coupling in flashing ratchets
通过研究等间距点粒子组成的棒状链的过阻尼行为，研究了具有内部结构的刚性物体在闪烁棘轮势中的输运问题。在1D中，分析论证表明，响应于改变链的尺寸或热浴的温度，速度可以多次反向。物理原因是，机械耦合的物体所经历的有效电势可以具有与单个物体不同的对称性。所有的分析预测证实了布朗动力学模拟。这些结果可能提供一个简单的，粗粒度的分子马达运输模型，将一个对象的大小和旋转自由度的运输机制。
2006-02-04 cond-mat.stat-mech
Information and maximum power in a feedback controlled Brownian ratchet
闭环或反馈控制棘轮是布朗马达，其使用关于系统状态的信息来操作。对于这些棘轮，我们计算的功率输出，我们调查它与反馈控制中使用的信息的关系。我们得到了单粒子和少粒子闪烁棘轮的解析表达式，我们发现，最大功率输出有一个上限成正比的信息。此外，我们表明，从改变最佳的开环棘轮的结果，以闭环棘轮的功率输出的增加也有一个上界，是线性的信息。
2007-11-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Duality Relation for Quantum Ratchets
研究了斜棘轮势中量子布朗粒子的长时间动力学与受驱动耗散紧束缚模型之间的对偶关系。它将一个模型中的弱耗散情况与另一个模型中的强耗散情况联系起来，反之亦然。我们应用这种对偶关系来研究棘轮势中的输运和整流：从线性迁移率，我们推断弱耗散的基态离域。我们报告的逆转引起的绝热驱动和温度的棘轮电流和它的依赖于潜在的形状。
2005-01-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Rocking Subdiffusive Ratchets: Origin, Optimization and Efficiency
我们研究起源，参数优化，和热力学效率的等温摇摆棘轮分数次扩散的基础上广义非马尔可夫朗之万方程的方法。相应的多维马尔可夫嵌入动力学是使用一组弹性耦合到中心布朗粒子的辅助布朗粒子来实现的（见期刊网站上的视频）。我们发现，反常的亚扩散输运出现由于非线性响应和粘弹性效应的相互作用的分数布朗运动在周期性势与破缺的空间反演对称性和驱动的时间周期场。当驱动周期与阱间跃迁的特征时间尺度相匹配时，异常输运对于亚阈值驱动变得最优。它也可以通过改变温度、周期电位的振幅和驱动强度来优化。对载荷所做的有用功与载荷强度呈抛物线关系。它随时间呈次线性增长，相应的热力学效率随时间呈代数衰减，因为驱动场提供的能量随时间呈线性变化。然而，在相当长的时间尺度上，它与正常扩散摇摆棘轮的效率相比很好。
2013-09-26 cond-mat.stat-mech
Ratchet universality in the presence of thermal noise
我们表明，驱动过阻尼布朗粒子的定向棘轮运输受到空间周期性和对称的潜力，可以可靠地控制通过定制的双谐时间力，在一致的程度的破坏机制。我们证明了有限温度对纯确定性棘轮情形的影响可以理解为势垒的\textit{effective noise-induced change}，而势垒又由破坏机制的程度控制。值得注意的是，我们发现，相同的普遍情况下，任何对称的周期性潜力，而最佳定向棘轮运输时发生的脉冲传输（空间积分超过半个周期）的对称空间力是最大的。
2013-02-12 cond-mat.stat-mech nlin.CD
Energetics of Forced Thermal Ratchet
已知分子马达在存在热涨落的情况下具有高的能量转换效率。受这一令人惊讶的事实的启发，最近对热棘轮模型的研究表明，如何以及何时应该从非平衡涨落中提取功。其中一个重要的发现是由Magnasco，他研究了温度依赖的波动-感应电流在棘轮（多稳态）系统，并表明，目前一般可以最大限度地在有限的温度。这一有趣的发现被解释为热涨落对涨落诱导功无害，甚至有助于其效率。然而，我们表明，这种解释是不正确的，只要我们进入能量学领域[Sekimoto，J.Phys.Soc.Jpn.66，1234 -1237（1997）]：能量转换的效率不是在有限的温度下最大化，即使在相同的系统，Magnasco考虑。在没有热波动的情况下实现最大效率。这一结果提出了一个悬而未决的问题，即热涨落是否能促进力-涨落能量转化为功的效率。
1998-01-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Deep reinforcement learning for feedback control in a collective flashing ratchet
Korea Advanced Institute of Science and Technology（韩国科学技术院）
集体闪烁棘轮传输布朗粒子使用空间周期性的，不对称的，和时间依赖的开关可切换的潜力。通过基于颗粒位置的反馈控制，该系统中颗粒的净电流可以显著增加。已经提出了几个最大化电流的反馈政策，但还没有找到最佳的政策，为一个中等数量的粒子。在这里，我们使用深度强化学习（RL）来寻找最佳策略，结果表明，使用合适的神经网络架构构建的策略优于以前的策略。此外，即使在延迟反馈的情况下，潜在的开关切换延迟，我们证明了深RL提供的政策提供更高的电流比以前的策略。
2021-03-25 cond-mat.stat-mech cs.LG
Optimizing thermally affected ratchet currents using periodic perturbations
本工作的目的是应用最近提出的方法来扩大参数域，获得最佳棘轮电流（RC）。这个任务是通过添加一个合适的周期性扰动$F_j$棘轮映射和程序包括在乘以一个特定的类的通用等周期稳定结构（ISS），因为非零RC的存在是直接相关的稳定域的出现。通过增殖的ISS，它是可能的：（i）推迟热效应，通常增加混沌域和（ii）证明，通过使用定量分析，在二维参数空间中，提供最佳RC的区域可以扩大约$78\%$。此外，对于某些特定的参数组合，非零RC可以通过新的吸引子的产生而被诱导，该吸引子随着$F_j$的强度的增加而远离。显然，应用于棘轮映射的方法是一种有效的方式来处理不可避免的热效应及其随之而来的不良动态，特别是在实验设置。作为第二个一般性评论，我们的结论是，我们的主要调查结果可以扩展到与交通问题有关的问题。
2018-05-29 cond-mat.stat-mech nlin.CD
Particle diode: Rectification of interacting Brownian ratchets
研究了在链的一端局部施加交流驱动力的情况下，布朗粒子通过Morse势相互作用的输运。通过数值模拟，我们发现系统可以表现为一个粒子二极管的过阻尼和欠阻尼的情况下。对于低频，禁止从自由端到交流作用端的传输，而允许从交流作用端到自由端的传输。然而，粒子二极管的极性将在中频时反转。存在一个相互作用势阱深的最佳值，在该值处平均速度最大。平均速度$\upsilon$随着系统尺寸$N$以幂律$\upsilon \propto N^{-1}$单调减小。
2012-08-15 cond-mat.stat-mech
Turning a superconducting diode into a Feynman ratchet to realize a nanoscale heat engine
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Sabanci University（萨贝里大学）；University of Twente（特温特大学）；University of Geneva（日内瓦大学）
该研究提出基于约瑟夫森结的超导二极管型费曼棘轮，实现纳米级热机，可从温度梯度的热涨落中做功，还分析其功率、效率及反向运行作珀尔帖冷却器的条件。
2026-10-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Dissipation Enhanced Asymmetric Transport in Quantum Ratchets
从理论上研究了零温条件下粒子在周期非对称势场中的量子力学运动。基于半经典近似，我们发现，在弱振荡场的存在下，即使平均没有宏观场梯度，从一个局部极小值到下一个局部极小值的隧穿几率也是不对称的.耗散增强了这种不对称性，并导致稳定的单向电流，导致量子棘轮系统。
1997-11-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Efficiency and current reversals in spatially inhomogeneous ratchets
本文研究了电驱动对称周期势系统产生净单向电流的效率。在具有空间变化的周期性摩擦系数的非均匀系统的情况下，作为温度的函数，效率显示出最大值。棘轮在提供最大电流时不是最有效的。相反，当考虑非对称周期电位时，电流的方向也可以作为噪声强度的函数而反转。
1999-11-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian ratchets: How stronger thermal noise can reduce diffusion
研究了在反射对称性破缺的周期结构棘轮基底上运动的惯性布朗马达的扩散性质。电机由无偏的时间周期对称力驱动，该力使系统脱离热平衡。对于选定的参数集，该系统是在一个非混沌的制度，我们可以确定一个非单调依赖的扩散系数对温度：对于低温，它最初随着温度的增长而增加，通过其局部最大值，接下来开始减少，达到其局部最小值，最后它单调增加根据爱因斯坦线性关系。特别有趣的是扩散被抑制的热噪声的温度区间，我们解释这种效果的三态随机模型的过渡率。
2017-02-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Subdiffusive rocking ratchets in viscoelastic media: transport optimization and thermodynamic efficiency in overdamped regime
本文利用非马尔可夫广义朗之万方程（GLE）方法和相应的多维马尔可夫嵌入动力学，研究了粘弹性介质中受外部零平均力周期性振荡的次扩散过阻尼布朗棘轮。粘弹性变形的介质所造成的运输粒子建模的一组辅助布朗准粒子弹性耦合到运输粒子，其特征在于由一个层次的弛豫时间服从分形标度。最慢的松弛变形，不能立即遵循移动粒子的印记长距离记忆其先前的位置，并导致亚扩散和异常运输在一个足够长的时间尺度。这种反常的行为与正常的扩散和运输相结合的初始时间尺度上的过阻尼运动。由于零平均周期驱动违反了热细致平衡，出现了空间反演对称性破缺的周期棘轮势中的异常缓慢定向输运，并利用驱动频率、振幅和温度进行了优化。这种优化的反常输运可以是低色散的，其特征在于具有大的广义Peclet数。此外，我们表明，过阻尼次扩散棘轮可以承受相当大的负载，做了有益的工作。相应的热力学效率随时间代数地衰减，因为对负载所做的有用功随着时间在传输粒子位置之后呈次线性地缩放，但是由外力泵送的能量随着时间呈线性地缩放。然而，它可以是短暂的可观的高，以及比较正常的扩散过阻尼棘轮足够长的时间和空间尺度上的效率。
2013-09-26 cond-mat.stat-mech
Nonequilibrium stationary states with ratchet effect
在温度$T$下处于热平衡的粒子系综，由Nosè-Hoover动力学建模，在定向半圆盘弹性散射体的三角形晶格上运动。尽管散射体不对称，但热力学第二定律显然排除了定向输运。引入一个极化的零平均单色场产生一个定向的稳定流与非平凡的温度和场参数的依赖。本文给出了半导体异质结反点超晶格中微波场诱导定向电流的理论估计。
2004-12-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Rectification in a mixture of active and passive particles subject to a ratchet potential
我们通过模拟研究的混合物的主动（运行和翻滚）和被动（布朗）粒子排斥相互作用在一维，受到棘轮（平滑）潜在的。已知这种电势可以在单体水平上整流活性粒子，在“易磁化方向”上产生净电流。这是在到达势垒顶部的途中遇到较低的最大力的方向。排除约束导致单列运动，因此主动和被动粒子的平均速度是相同的;我们研究了活性水平、布朗扩散率、粒子尺寸、主动和被动粒子的初始序列以及主动/被动浓度比对这个平均速度的影响（即，每个粒子的电流）。我们表明，在某些参数制度的电流的符号是颠倒的。这发生在被动粒子处于高温时，因此会相对容易地穿过势垒，并且没有整流，除了它们与“冷”的主动粒子碰撞，否则它们将局限于电势最小值附近。在这种情况下，反向电流的出现是因为热的被动粒子优先地在势垒的底部和顶部之间具有较低空间间隔的方向上推动冷的主动粒子。在含有两种温度非常不同的被动粒子的混合物中，一种定性相似的机制起作用，尽管这种情况与本文研究的系统之间没有定量映射。
2022-04-01 cond-mat.stat-mech
Feedback control in a collective flashing ratchet
研究了反馈控制闪烁棘轮中的布朗粒子系综。棘齿电位根据粒子的位置打开和关闭，目的是使电流最大化。我们详细研究了一个协议，最大限度地提高即时速度的质心的合奏在任何时候。该协议是最佳的一个粒子和执行比任何定期闪烁的合奏中等大小，而击败了随机或定期切换大合奏。
2004-08-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Inhomogeneous Systems and their Rectification Properties
我们探讨了在对称（周期性）电位系统中获得单向电流的可能性，而无需施加任何明显的（表观）外部施加的偏压。有许多物理模型被提出来实现这种非平衡效应。在目前的工作中，我们考虑非均匀系统，使摩擦系数和/或温度可以在空间中变化。我们找到了一个模型，该模型具有脉动力辅助的非均匀系统必须满足的最小条件，以获得单向电流。在这个过程中，我们讨论了目前感兴趣的热棘轮和摩擦棘轮。我们认为，不同的摩擦棘轮模型的工作原理相同的基本原则下，改变相对稳定的，否则局部稳定状态的存在下，温度的不均匀性。我们还详细讨论了在摇摆摩擦棘轮电流的性质。特别是，我们分析了一种新的现象，多个电流反转和在这些系统中的能量转换的效率。
2001-07-04 cond-mat.stat-mech
Motion in a rocked ratchet with spatially periodic friction
本文详细研究了在周期势场中运动的布朗粒子在绝热周期驱动下的输运和能量学。粒子被认为是在一个周期性的空间相关的摩擦与相同的周期性的潜力，但有一个相位滞后的介质中移动。我们得到了几个结果，其中大部分是由于介质是不均匀的，是敏感的相位滞后。当潜在的是对称的，我们表明，能量转换的效率可以最大化作为噪声强度或温度的函数。然而，在不对称势的情况下，温度可能会或可能不会促进能量转换，但电流反转可以作为温度和周期性驱动的幅度的函数获得。电流的重入行为也可以看作是相位滞后的函数。
2000-06-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Pumping Heat with Quantum Ratchets
我们描述了量子电子棘轮如何作为热泵。通常，棘轮可以被描述为非平衡系统，其中使用空间或时间不对称性产生定向粒子运动。在摇摆棘轮（也可以描述为非线性整流器）中，不对称电位对称且周期性地倾斜。在每个半周期中，电势的变形不同，当在整个摇摆周期内平均时，产生净粒子流。最近，人们发现，在量子制度，隧道有助于运输，净电流可能会改变与温度的迹象。在这里，我们表明，实验隧道棘轮的Landauer模型[Linke et.例如，Science 286，2314（1999）]预言了即使当净粒子流通过零时也存在净热流。我们量化这种热流，并定义一个系数的性能作为热泵的棘轮，发现更多的热量是沉积在每个两个电子水库由于摇摆的过程比从一个水库泵到另一个由棘轮。
2001-04-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Ratchet transport powered by chiral active particles
数值研究了主动和被动粒子混合物在横向非对称通道中的棘轮输运，一个大的被动粒子浸没在一个主动粒子的“海洋”中。由于活性粒子的手性，横向不对称性导致了纵向定向输运。对于活性粒子，手性完全决定了棘轮输运的方向，逆时针和顺时针方向的粒子向相反的方向运动，可以分离。而对于被动粒子，输运行为变得复杂，其输运方向取决于手性、自推进速度和填充率之间的竞争。有趣的是，在某些参数下，被动粒子向左移动，而主动粒子向右移动。此外，存在最佳的参数（手征性，势垒高度，自推进速度和填充率）时，整流效率取最大值。我们的研究结果可用于手性活性粒子驱动的棘轮输运的实验研究。
2016-12-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Reducing vortex density in superconductors using the ratchet effect
束缚磁通的存在是制约低温和高温超导体（SC）器件应用的一个严重障碍。磁通线或涡流是由像地球磁场一样小的磁场引起的。一旦出现，涡流就会耗散能量并产生内部噪音，限制许多超导设备的运行。用于克服这一困难的方法包括通过引入杂质和缺陷来钉扎涡旋，构造通量坝、槽和孔以及磁屏蔽，其阻挡新通量线在SC的主体中的穿透或减小紧邻超导装置的磁场。当然，最理想的是从SC的主体中去除涡流。然而，没有已知的现象可以形成这种过程的基础。在这里，我们表明，应用程序的交流电流的SC图案与不对称的钉扎电位可以诱导涡旋运动的方向是由图案的不对称性只确定。造成这种现象的机制是所谓的棘轮效应，其工作原理适用于低温和高温SC。作为第一步，在这里，我们证明，与适当的选择的钉扎电位的棘轮效应可以用来消除涡旋从低温SC在各种应用所需的参数范围。
1999-06-28 cond-mat.stat-mech cond-mat.supr-con
A random walker on a ratchet potential: Effect of a non Gaussian noise
我们分析了非高斯有色噪声对沿棘轮势运动的随机步行者模型的影响。这种模型的动机是运动蛋白，如驱动蛋白和肌球蛋白的运输特性。以前的研究都是在假设白噪声的情况下实现的。然而，对于实际情况，通常我们可以预期这些噪声是相关的和非高斯的。在其他方面中，除了随着噪声强度变化的电流的最大值之外，我们还发现了当偏离高斯行为时电流的另一个最佳值。我们显示了相关的影响，当离开高斯行为，特别是与当前的增强，并讨论其生物和技术的情况下的相关性。
2007-12-11 cond-mat.other cond-mat.stat-mech
Energy Transduction of Isothermal Ratchets: Generic Aspects and Specific Examples Close to and Far from Equilibrium
我们研究了由两种状态之间的化学反应驱动的等温棘轮的能量学，并与恒定温度的单个热浴接触操作。我们讨论了能量转换的一般方面，如Onsager关系的线性响应制度，以及接近和远离平衡的效率和耗散。在系统可逆运行的线性响应状态下，效率一般不为零。研究能量景观和转换的具体例子的属性，我们观察到在线性响应制度的效率可以有一个最大值作为温度的函数。远离平衡在完全不可逆的制度，我们发现一个最大的效率值大于在线性制度的化学驱动力的最佳选择。我们表明，相应的效率可以是50%的顺序。一个简单的分析论证使我们能够估计在这种不可逆状态下小外力的效率。
1999-04-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Estimating performance of Feynman's ratchet with limited information
我们估计的性能的费曼棘轮在给定值的冷热水库的温度比（$θ$）和品质因数（效率的情况下发动机和coefficienct的情况下的制冷机的性能）。后者意味着观测者只知道两个内禀能量尺度的比值，但它们的精确值是完全不确定的。不确定能量参数的先验概率分布被认为是Jeffreys先验。我们定义了一个平均测量的模型的性能平均，在先验分布，功率输出（热机）或$χ$ -标准（冰箱），这是产品的热吸收率从冷水库和性能系数。我们观察到，品质因数，在最佳性能接近平衡，是由先前的平均程序再现。此外，我们得到了著名的有限时间热力学的效率在最佳功率和性能系数在最佳$χ$ -准则，分别由$1-\sqrtθ$和$1/\sqrt{1-θ}-1$。这种类比进一步探讨，我们指出，预期的热流和水库，作为一个有效的牛顿流的行为。在一类量子热机的准静态模型中，我们还证明了在Jeffreys先验的作用下，CA效率是如何出现在渐近极限的。
2015-07-15 cond-mat.stat-mech physics.data-an
Ratchet effect in inhomogeneous inertial systems: II. The square-wave drive case
本文数值求解了在对称周期势场中受平均值为零的对称周期力作用下，具有非均匀摩擦力的粒子的欠阻尼朗之万运动方程。该粒子被证明是获得一个稳态的平均速度在渐近大的时间尺度。在强迫振幅$F_0$的范围内获得该净粒子速度或棘轮电流，并在取决于介质的平均摩擦系数和温度的范围内的某个$F_0$值处获得峰值。在这些大的时间尺度上，位置分散随时间成比例地增长，$t$，允许计算稳态扩散系数$D$，有趣的是，其显示出在相同的$F_0$周围的峰值行为。然而，棘轮电流在很大程度上是一致的。在中间的时间尺度上，这桥梁的小时间尺度行为的色散$\sim t^2$的大的时间，该系统显示，在某些情况下，周期性振荡之间的dispersionless和急剧增长的色散取决于频率的强迫。这些不同的分散制度棘轮电流的贡献进行了分析。
2008-07-28 cond-mat.stat-mech cond-mat.supr-con
Transport Reversal in a Thermal Ratchet
研究了在对称无偏外力作用下布朗粒子在周期势场中的输运问题。粘性介质交替地与两个热源接触。给出了准稳态极限下的净电流的解析表达式。结果表明，电位不对称性参数与温度差的竞争导致了电流反转等现象。这两个驱动因素之间的竞争是当前逆转的必要条件，但不是充分条件。
2010-03-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.data-an
Transverse rectification of disorder-induced fluctuations in a driven system
数值研究了二维棘轮势场中粒子的过阻尼运动。在所提出的设计中，所谓的几何棘轮类型，响应于恒定力的单个粒子的平均速度具有横向分量，该横向分量可以由热或其他无偏波动的存在引起。我们发现，额外的淬火无序可以强烈地增强在低温下的横向漂移，尽管减少横向迁移率。我们表明，在一般条件下，整流的横向速度的驱动粒子流体是相当于一个一维闪烁棘轮工作在驱动相关的有效温度，通过广义爱因斯坦关系定义的响应。
2006-10-23 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech
Hydrodynamic Ratchet for Tracer Transport in a Soft Microchannel: A Detailed Analysis
本文分析了软微通道中局部反演对称性破缺的流体流动模型，揭示了在特定条件下微米级示踪粒子在起伏速度场中发生的流体动力学棘轮效应。
2025-10-14 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Directed motion of Brownian particles with internal energy depot
本文讨论了一种布朗粒子模型，它具有从环境中吸收能量，将能量储存在一个内部仓库中，并将内能转化为运动的动能的能力。第二节中概述的一般动力学研究了确定性和随机粒子在无涨落棘轮势中的运动。首先，我们通过计算机模拟讨论了棘轮系统的吸引子结构。依赖于能量的供应，我们发现无论是周期性的约束吸引子对应于本地化的振荡，或一个/两个未绑定的吸引子对应于棘轮势中的定向运动。考虑到粒子系综，我们表明，在确定性的情况下，两个电流到不同的方向可以发生，但这取决于超临界能源供应。考虑到随机影响，我们发现电流只在一个方向上。我们进一步研究了电流反转如何依赖于随机力的强度和势的不对称性。我们找到了一个临界值的噪声强度的电流的发病和一个最佳值，其中净电流达到最大值。最后，我们的模型的动力学进行比较与其他棘轮模型先前建议。
1999-12-17 cond-mat.stat-mech
Brownian ratchets driven by asymmetric nucleation of hydrolysis waves
我们提出了一个随机过程，其中介导的一维基板上的域的不对称成核的分子运输。轨道驱动的分子转运机制出现在生物物理应用中，如霍利迪连接定位和胶原酶持续合成能力。相反，分子马达，水解核苷酸三磷酸和经历局部分子构象的变化，我们表明，不对称成核的轨道上的水解波也可以导致定向运动的附着粒子。在每个晶格位点上的"水解“和"未水解”状态之间的不对称合作动力学产生移动的畴壁，其推动位于轨道上的粒子。我们使用一种新的波动框架，有限段平均场论，准确地计算稳态速度的驱动粒子，并发现参数制度，产生最大的域壁通量，导致最佳的粒子漂移。
2007-05-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Diffusion Properties of a Brownian Ratchet with Coulomb Friction
研究了布朗粒子在库仑摩擦和非对称空间势作用下的运动。该系统表现出棘轮效应，即，即使在没有外力的情况下，由非平衡条件与空间不对称性的耦合引起的平均定向运动。分析了布朗粒子的平均运动和涨落。固定速度显示出作为浴的温度和粘度两者的函数的非单调行为。颗粒的扩散性能，这表明几个时间制度，也进行了研究。为了突出非线性摩擦在动力学中的作用，提出了一个比较与一个线性模型的布朗粒子驱动的恒定外力，它允许分析处理。特别是，该研究揭示了库仑摩擦的存在强烈影响不同的时间制度之间的通过时间。
2023-01-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
AC driven thermal ratchets
研究了摩擦系数与空间有关的周期非对称势场中过阻尼布朗粒子的运动。在外部时间周期强迫下，系统在改变外部强迫的幅值和热浴温度时会出现多次电流反转。在绝热制度中，我们发现一个单一的逆转的电流作为噪声强度的函数，只能占由于空间相关的摩擦系数的存在。对于非常大的强迫项，电流不会趋于零，而是根据电势和摩擦力之间的相移渐近地趋于极限值。这一事实在获得多次电流反转中起着重要作用。
2001-01-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Maximizing power and velocity of an information engine
纠正热波动的信息驱动引擎是麦克斯韦-恶魔思想实验的现代实现。我们介绍了一个简单的设计的基础上，沉重的胶体粒子，举行的光阱和浸入水中。使用精心设计的反馈回路，我们实验实现的“信息棘轮”利用有利的“向上”波动来对抗重力举起重物，在不做外部功的情况下储存势能。通过优化棘轮设计的性能，通过一个简单的理论，我们发现，工作存储和定向运动的速度的速率只受发动机的物理参数：颗粒的大小，棘轮弹簧的刚度，运动产生的摩擦，和周围介质的温度。值得注意的是，由于性能随着观察频率的增加而饱和，因此测量过程不是限制因素。所提取的功率和速度至少比先前报道的发动机高一个数量级。
2020-11-11 cond-mat.stat-mech
Ratchet-mediated resetting: Current, efficiency, and exact solution
研究了过阻尼Brownian粒子在棘轮势介导重置下的非平衡稳态与有向电流，推导出概率密度、电流及效率的精确解析解，为有限时间重置实验提供了最优参数指导。
2024-07-24 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Engineering Ratchet-Based Particle Separation via Shortcuts to Isothermality
Beijing Normal University（北京师范大学）；China Academy of Engineering Physics（中国工程物理研究院）
本文提出了一种非平衡热力学方法，利用‘等温性捷径’概念，实现对过阻尼布朗粒子的可控分离，展示了不同扩散系数的粒子在预设D*下向不同方向运动，并揭示了额外能量成本和准静态功消耗。
2023-11-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.app-ph
Run-and-tumble motion in a linear ratchet potential: Analytic solution, power extraction, and first-passage properties
本文推导了线性棘轮势中游动-翻滚粒子的稳态密度、电流、熵产生、功率及效率的解析解，揭示了参数的非单调优化特征，并计算了首达时间，为活性引擎设计提供了理论支持。
2023-07-31 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Optimization of soliton ratchets in inhomogeneous sine-Gordon systems
当引入一个势$V(x)$打破空间对称性时，尽管施加的力在时间上的平均值为零，但孤子的单向运动仍然可以发生。该势$V(x)$由周期性重复的单元组成，每个单元在位置$x_{i}$处包含一个非对称的强局部不均匀性阵列。集体坐标方法表明，位置，高度和宽度的非均匀性（按此顺序）是关键参数，以获得最佳的有效势$U_{opt}$，产生最大的平均孤子速度。$U_{opt}$基本上呈现两个特征：由正峰和负峰组成的双峰，以及双峰之间的长平坦区域。这样的电势可以通过选择具有相反符号的不均匀性（例如，在长约瑟夫森结的情况下是微电阻和微短路），它们彼此靠近，而每个峰对之间的距离相当大。对非均匀sine-Gordon系统的全模拟结果证实了集体变量理论的这些结果。
2006-08-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech math-ph
