Granular Motor in the Non-Brownian Limit
在这项工作中，我们实验研究的颗粒转子，这是类似于著名的Smoluchowski-Feynman设备，它包括一个转子与四个叶片浸没在颗粒气体。叶片的每一侧可以由两种不同的材料组成，从而产生旋转不对称性并将转子变成棘轮。当颗粒温度较高时，转子始终处于运动状态，其角速度分布可用布朗极限来描述。当颗粒温度显著降低时，我们进入所谓的单次冲击极限，在该极限下，碰撞很少发生，不可避免的外部摩擦导致转子在大部分时间内处于静止状态。我们发现，现有的模型是不能够充分描述实验观察到的分布在这个限制。我们追溯到这种差异的非恒定性的减速由于外部摩擦，并表明，将这种效果纳入现有的模型导致我们的实验完全一致。随后，我们将此模型推广到描述任意气体温度下转子的角速度分布，得到了与实验数据非常吻合的模型。
2017-06-02 cond-mat.stat-mech
Observing Brownian motion in vibration-fluidized granular matter
上世纪初，Gerlach和Lehrer观察到了一根浸入平衡环境（气体）中的极细金属丝的旋转布朗运动。这个简单的实验最终使平衡统计力学最重要的思想之一得到了充分的发展：大量分子与金属丝碰撞的非常复杂的多粒子问题，只能用两个宏观参数来表示，即粘度和温度。这个在数学上发展起来的朗之万模型和涨落耗散定理能用来描述远离平衡的系统吗？在这里，我们解决这个问题，并重现Gerlach和Lehrer实验在一个原型的非平衡系统中，通过浸没在一个颗粒系统的毫米级颗粒，流化由强烈的外部振动的敏感扭转振荡器。振动流化颗粒介质是一个驱动环境，具有连续的注入和能量耗散，浸没振荡器可以被视为类似于弹性约束的布朗粒子。我们表明，通过测量噪声和磁化率，该实验可以被处理，在第一近似，与平衡情况下相同的形式主义，使实验获得“颗粒粘度”和“有效温度”，然而各向异性和不均匀，并产生令人惊讶的结果，即振动流化的颗粒物质表现为满足波动-耗散关系的“热"浴。
2003-10-02 cond-mat.stat-mech
Brownian motor in a granular medium
在这项工作中，我们的实验研究的行为自由旋转的非对称探针浸没在振动的颗粒介质。对于各种各样的振动条件下，探头表现出稳定的旋转，其方向是恒定的相对于不对称性。通过改变振动振幅并过滤不同频带中的噪声，我们表明旋转速度不仅取决于RMS加速度$Γ$，而且还取决于提供给两个单独频带的能量的量，这两个单独频带被揭示为对颗粒介质的动力学是重要的：第一带控制能量从颗粒到探针的传递，第二带通过改变振动流化材料的粘度来影响动力学。
2009-09-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Granular Brownian motion with dry friction
利用旋转探针与静止颗粒气体接触的方法，对库仑摩擦与随机激励之间的相互作用进行了实验研究。颗粒状材料通过垂直振动器独立流化，作为探头布朗运动的“热浴”。两个滚珠轴承支撑探头，对探头施加非线性库仑摩擦力。将探头的实验速度分布、自相关函数和功率谱与带摩擦力的线性玻尔兹曼方程的预测值进行比较。在高碰撞频率下，它被映射到具有非线性摩擦的Fokker-Planck方程，而在低碰撞频率下，它是由一系列独立的随机反冲和随后的摩擦引起的弛豫来描述的。在这两个极限下的理论与实验比较表明，两者吻合较好。在非常小的速度下观察到偏差，其中真实轴承不能很好地由库仑摩擦模拟。
2013-04-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A Granular Brownian Ratchet Model
我们通过数值模拟表明，一个非旋转对称的身体，其方向是固定的，其质心只能沿直线导轨滑动，非弹性碰撞与周围的气体粒子的影响下，显示定向运动。我们提出了一个理论，它解释了如何缺乏时间反演引起的碰撞的非弹性可以利用产生一个稳定的平均漂移。在一个重棘轮的限制，我们推导出一个有效的朗之万方程，其参数依赖于系统的微观性质，并获得一个相当好的定量之间的理论预测和模拟流动性，扩散率和平均速度的协议。
2006-11-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Transport of a heated granular gas in a washboard potential
本文数值研究了搓衣板势中一维布朗粒子阵列在随机外力驱动下的短程排斥力作用下的运动。特别是，我们调查的作用，瞬时弹性和非弹性碰撞的系统动力学和运输。该系统显示一个锁定的制度，其中粒子只能通过激活的过程和运行的制度，其中粒子沿所施加的场的方向漂移。通过调节控制布朗运动的摩擦参数的值，我们探索了过阻尼动力学和欠阻尼动力学。在这两个制度中，我们认为作为倾斜和其他相关的控制参数，如，恢复系数，颗粒大小和颗粒总数的函数的系统的流动性和扩散性。我们发现，而在过阻尼制度，相互作用系统的结果与已知的非相互作用的情况下，在欠阻尼制度，非弹性碰撞确定了丰富的各种行为，其中是一个意想不到的增强非弹性扩散的相似之处。
2006-11-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Clustering and Non-Gaussian Behavior in Granular Matter
研究了由$N$布朗粒子组成的线上非弹性相互碰撞的颗粒物质模型的性质。该模型显示了能量和能量耗散平均值的真正热力学极限。当与布朗过程相关的典型弛豫时间$τ$小于平均碰撞时间$τ_c$时，空间密度接近均匀，速度概率分布为高斯分布。在相反的限制$τ\gg τ_c$有很强的空间聚类，与分形分布的颗粒，和速度的概率分布强烈偏离高斯。
1998-10-06 cond-mat.stat-mech
Brownian ratchet in a thermal bath driven by Coulomb friction
无偏波动的矫正，也被称为棘轮效应，通常是在统计非平衡条件下获得的。在这里，我们提出了一个新的棘轮机制，热浴征求随机旋转的非对称轮，这也是由于固体对固体接触库仑摩擦。数值模拟和分析计算表明，净漂移引起的摩擦。如果热浴被颗粒气体所取代，则众所周知的颗粒棘轮效应也会介入，在高碰撞率下成为主导。对于我们选择的车轮形状的颗粒效应的作用方向相反的摩擦引起的扭矩，导致在棘轮方向的反转，碰撞率的增加。我们已经实现了一个新的颗粒棘轮实验，其中观察到这些棘轮效应，以及在它们的交叉处预测的反转。我们的发现为在平衡流体中实现纯粹基于纳米摩擦的微米和亚微米布朗马达铺平了道路。
2013-01-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Angular velocity distribution of a granular planar rotator in a thermalized bath
本文利用Boltzmann方程对具有固定中心的颗粒平面旋转体与熔池颗粒进行非弹性碰撞的动力学进行了数值和解析分析。角速度分布从布朗极限的准高斯演化到无限轻粒子极限的代数衰减。此外，我们将此模型与具有自由中心的平面旋转体进行了比较。我们提出了实验测试，可能会证实预测的行为。
2006-10-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Flow and structure in nonequilibrium Brownian many-body systems
本文提出了布朗多体系统集体流作用下非平衡结构形成的力的基本分类。内部单体力场被系统地分解为与空间结构和耦合运动相关的贡献。我们证明，这两个贡献可以直接在计算机模拟中获得，并提出了一个功率泛函理论，定量描述所有类型的力。我们的结论和方法是相关的惯性系统中的流动，如分子液体和颗粒介质。
2020-05-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Models of granular ratchets
我们研究了一个一般的颗粒布朗棘轮模型，该模型由一个在直线上运动的非对称物体和一个被二维颗粒气体包围的颗粒气体组成，而颗粒气体又与一个外部随机驱动力耦合。我们讨论了两个由此产生的玻尔兹曼方程描述的气体和物体在稀极限，并获得一个封闭的系统的前几个时刻的系统速度分布。净棘轮漂移，其速度波动的方差和马尔可夫极限的过渡率的预测，进行了比较，数值模拟和公平的协议观察。
2009-05-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Microscopic Gyration with Dissipative Coupling
研究微观旋转器在耗散耦合下的旋转机制，证明布朗椭球体和颗粒手性椭球体可通过固有耗散耦合与各向异性涨落实现旋转，科里奥利力主导颗粒尺度旋转频率，揭示其作为微型自主机器的潜力。
2023-08-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Noise and diffusion of a vibrated self-propelled granular particle
颗粒材料是活性物质的重要物理实现形式。在振动流化的颗粒物质中，扩散和自推进都来自相同的碰撞力，不像许多其他活性系统，在这些活性系统中，单粒子流动性的起源和与噪声的耦合之间有一个清晰的分离。在这里，我们提出了单粒子运动的实验研究，在振动的颗粒单层，随着理论分析，比较晶粒运动在短期和长期的时间尺度的假设和预测，分别，活性布朗粒子（ABP）模型。结果表明，尽管噪声和推进之间的独特关系，粒状介质显示ABP模型预测的通用功能，并表明这是一个有效的框架来预测集体现象。此外，我们的分析方案，用于验证模型的输入和输出可以应用到其他粒度和非粒度系统。
2017-05-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Generalized Green-Kubo formula for a dissipative quantum system
本文导出了受驱动布朗粒子的量子耗散系统的广义Green-Kubo公式，其中系统与环境之间的耦合是线性的。其结构基本上与被驱动颗粒的广义Green-Kubo公式相同。证明了对于自由布朗粒子，对传统格林-久保公式的修正为零。
2009-11-16 cond-mat.stat-mech
Kinetic Theory for Binary Granular Mixtures at Low-Density
颗粒介质的许多特征可以模拟为具有{ \em非弹性}碰撞的硬球流体。在快速流动条件下，颗粒的宏观行为可以通过流体动力学方程来描述。在低密度，流体动力学方程的推导和显式表达式中出现的传输系数的基本基础是由玻尔兹曼动力学理论方便地修改，以考虑非弹性二元碰撞。本章的目的是通过使用动力学理论工具，给出二元颗粒气体的最新进展的概述。这里提出的一些结果涵盖的方面，如运输性能，能量不均分，不稳定性，隔离或混合，非牛顿行为，.此外，分析结果与Monte Carlo和分子动力学模拟得到的结果进行了比较，显示了动力学理论的可靠性，即使在强耗散描述颗粒流。
2007-04-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale
在具有空间或动力学对称性破缺的系统中，布朗运动与对称的外部输入信号（确定性或随机性）相结合，可以帮助粒子在亚微米尺度上定向运动。在这种情况下，我们称之为“布朗马达”。在这篇评论中，布朗运动的建设性作用是例示了各种一维设置，主要是由细胞分子机械的启发：工作原理和程式化设备的特性进行了讨论，以显示如何波动，无论是热的或外在的，可以用来控制扩散粒子运输。最近的实验演示这一概念进行审查，特别注意在人工纳米孔和光学陷阱，单粒子电流已首次测量的运输。非常重视的是二维和三维设备包含许多相互作用的粒子的一个或多个物种，这类人工电机，噪声整流结果也从粒子布朗运动和几何约束的相互作用。最近，已经成功地实现了相互作用的胶体颗粒和磁涡旋的传输的选择性控制和优化，从而导致了由此提出的新一代微流体和超导装置。另一个有希望实现人工布朗马达的领域是微流体或颗粒设置。
2008-09-24 cond-mat.stat-mech
Underdamped scaled Brownian motion: (non-)existence of the overdamped limit in anomalous diffusion
一般认为，过阻尼朗之万方程提供了经典布朗粒子在长时间极限下动力学的定量描述。我们建立和调查的范式异常扩散过程所管辖的欠阻尼朗之万方程与系统温度的显式时间依赖性，从而扩散和阻尼系数。我们表明，这种欠阻尼标度布朗运动（UDSBM）的过阻尼极限无法描述系统的长时间行为，甚至可能实际上根本不存在的参数值的一定范围内。因此，即使在相当长的时间内，持续的惯性效应也起着不可忽视的作用。从这项研究的一般性问题的过阻尼限制描述的长时间运动的一个adherously扩散粒子的适用性，产生了深远的后果过阻尼异常扩散模型的相关性。我们阐明我们的结果，鉴于分析和模拟结果的粒子在自由冷却颗粒气体的异常扩散。
2016-09-23 cond-mat.stat-mech
Steady base states for non-Newtonian granular hydrodynamics
在这项工作中，我们研究稳定的层流在低密度颗粒气体模拟系统的相同的光滑硬球的碰撞非弹性。该系统由两个无限大的平行壁组成，在边界处受到剪切源和温度源的激励。因此，该系统的几何形状与标准气体中产生平面傅立叶流和库埃特流的几何形状相同。我们表明，它是可能的描述稳定的颗粒流在这个系统中，即使在大的非弹性，通过（非牛顿）流体动力学的方法。所有五种类型的Couette-Fourier颗粒流进行了系统的描述，确定不同类型的流体动力学配置文件。我们的流的分类和模拟结果之间的良好协议。另外，我们还通过以下三种相互独立又相互补充的方法得到了相应的非线性输运系数：（1）用Grad的13阶矩方法得到的非弹性Boltzmann方程的解析解，（2）用直接模拟Monte Carlo方法得到的非弹性Boltzmann方程的数值解，（3）事件驱动的分子动力学模拟。我们发现，虽然Grad理论不能很好地定量描述所有的输运系数，但这三个过程对颗粒气体的平面Couette-Fourier流产生了相同的一般分类
2012-12-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Magnetized granular particles running and tumbling on $S^{1}$
研究表明，非振动磁性颗粒系统在交变磁场作用下，具有活性物质系统的大部分物理特性。在这项工作中，我们把我们的注意力集中在最简单的颗粒系统组成的一个单一的磁化球形粒子分配在一个准一维的圆形通道，从磁场水库接收能量，并将其转换成一个运行和翻滚运动。基于半径为R的圆上的奔跑和翻滚模型的理论分析预测了在奔跑和翻滚运动的特征持续长度为$\ell_{c} < R/2$时的不规则运动（无序相）与$\ell_{c}> R/2$时的持续运动（有序相）之间存在动力学相变。发现这些相的极限行为分别对应于圆周上的布朗运动和简单的匀速圆周运动。定性地表明，粒子的磁化强度越低，其余辉长度越大。至少在我们实验的有效性的实验限度内是这样的。我们的研究结果表明，理论和实验之间有很好的一致性。
2022-04-09 cond-mat.stat-mech
Quantum partition of energy for a free Brownian particle: Impact of dissipation
我们研究经典系统能量均分定理的量子对应。我们考虑一个自由量子布朗粒子建模的Caldeira-Leggett框架：一个系统加上恒温器组成的无限数量的谐振子。根据关于量子粒子的平均动能$E_k$的定理，它被表示为$E_k = \langle \mathcal E_k \rangle$，其中$\mathcal E_k$是恒温器的每一个自由度的热动能，而$\langle ...\rangle$表示根据概率分布$\mathbb P(ω)$对$E_k$有贡献的恒温器振荡器的频率$ω$上的平均。我们探讨了各种耗散机制的影响，通过德鲁德，高斯，代数和德拜谱密度函数，$\mathbb{P}(ω)$的特性。分析了系统-恒温器耦合强度和记忆时间对布朗粒子的最可几恒温振荡频率和动能$E_k$的影响。
2019-04-16 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech math-ph
Tuning the Viscosity and Jamming Point in Dense Active non-Brownian Suspensions
本文通过 run-and-tumble 粒子模拟研究稠密活性非布朗悬浮液，揭示活性如何降低黏度、移动阻塞点并改变力链结构，进而提出新本构定律。
2025-06-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Non-equilibrium fluctuations in frictional granular motor: experiments and kinetic theory
我们报告了一个新的实验颗粒布朗电机的研究，灵感发表在[物理学评论。104，248001（2010）]，但在一些成分上不同。与之前的工作一样，电机由一个旋转棘爪构成，其表面通过浸入粒状颗粒气体中的不同非弹性的交替补丁打破旋转反转对称性。我们的实验装置的主要新颖之处是在主轴的方向，这是平行于（垂直）方向的粒状流体的震动，保证各向同性分布的碰撞颗粒的速度，其特征在于由方差$v_0^2$。我们也保持颗粒系统稀释，以比较与玻尔兹曼方程为基础的动力学理论。与理论相一致，我们观察到的库仑摩擦的关键作用，诱导两个主要制度：（一）罕见的碰撞（RC），与平均漂移$\ < ω\ > \sim v_0^3$，和（ii）频繁的碰撞（FC），与$\ < ω\ > \sim v_0$。我们还研究了在一个大的时间间隔，$Δθ$，这在FC制度是成比例的电机上所做的工作的角度跨越的波动。我们观察到涨落关系满足一个斜率，该斜率弱依赖于相对碰撞频率。
2013-04-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Phase separation of active Brownian particles in two dimensions: Anything for a quiet life
活跃的布朗粒子显示自推进运动，这可以被建模为由单体力产生。虽然它们的粒子间相互作用是纯粹排斥的，但对于强大的自推进，游泳者相分离成稀相和密相。我们详细描述了最近的一个理论（Phys. Rev. E 100，052604（2019）; Phys. Rev. Lett. 128，26802（2019））用于这种运动性诱导的相分离。从连续性方程和力密度平衡出发，描述基于对内力密度的四个超绝热贡献。在这里，超绝热力是由于系统中的流动而产生的，它们作用在由平衡自由能产生的绝热力之上。用体态函数描述了相共存，并与文献中的布朗动力学模拟结果定量一致。我们详细描述了所有的分析步骤，以充分解决空间和取向的依赖性的单体密度和电流。分解成角傅里叶级数导致总密度、偏振和所有高次模的耦合。我们描述了功率泛函的方法，包括超绝热力场的运动学依赖性和安静的生活效果，推动粒子从快到慢的区域，从而诱导相分离。
2021-03-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Diffusion limited aggregation, resetting and large deviations of Brownian motion
本研究通过随机重置建模有限寿命布朗粒子，发现其聚集体的分形维数随寿命缩短而降至1，并恢复尖端聚集模型，揭示了非典型轨迹对生长结构的关键影响。
2023-10-18 cond-mat.stat-mech
Emergent memory from tapping collisions in active granular matter
通过振动激发活性粒子实验，发现活性背景与被动示踪粒子的多次相关碰撞会产生持久记忆，并提出广义活性爱因斯坦关系来描述涨落、耗散与有效活性，为调控活性系统性质提供新途径。
2023-10-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A kinetic approach to granular gases
我们讨论所谓的“粒状气体”问题，即快速运动的大量粒子气体经历非弹性碰撞。我们介绍了一类模型的驱动颗粒气体的定态是耗散和随机力注入能量之间的平衡的结果。这些模型表现出真正的热力学极限，即在固定密度下，对于大的$N$值，每个粒子的动能和耗散能的平均值与粒子数$N$无关。一个有两个制度：当驱动布朗过程的典型弛豫时间$τ$小于平均碰撞时间$τ_c$时，空间密度近似均匀，速度概率分布为高斯分布。在相反的限制$τ\gg τ_c$有很强的空间聚类，与分形分布的颗粒，和速度的概率分布强烈偏离高斯。在{ \it Stosszahlanjian}玻尔兹曼近似下进行的一维和二维模拟证实了这种情况。此外，我们还分析了空间和速度聚类带来的不稳定性。首先，在平均场模型的框架下，我们解释了如何存在的非弹性可以带来一个空间集群;另一方面，我们讨论了，在一个Langevin动力学的框架内处理的碰撞在平均场的方式，一个非高斯分布的速度可以出现。数值结果与解析结果的比较表明，两者吻合良好.
1998-10-06 cond-mat.stat-mech
Target search by active particles
本文综述了活性粒子目标搜索问题的理论结果，重点分析三种自推进模型在吸收目标下的首通与生存概率，并讨论重置机制对有限时间内找到目标的帮助。
2023-11-29 cond-mat.stat-mech
Renewal theory for Brownian motion with stochastically gated targets
Imperial College London（帝国理工学院）
本文提出了一种再生理论，用于分析布朗运动中随机门控目标的首次通过时间问题，通过构建再生方程来整合随机门控机制。
2026-01-19 cond-mat.stat-mech math.PR
Dispersionless Flat Mode and Vibrational Anomaly in Active Brownian Vibrators Induced by String-like Dynamical Defects
本研究在近二维双分散活性布朗振子系统中发现低能横向平模及振动态密度反常超额，证实类弦动力学缺陷是其微观起源，为理解活性物质集体行为提供了新机制。
2024-09-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A local approximation model for macroscale transport of biased active Brownian particles in a flowing suspension
运动微生物的稀悬浮液受到强烈的环境流，如海洋中的藻类，可以建模为一个人口的非相互作用，定向的活性布朗粒子（ABPs）。利用Smoluchowski方程（即空间和方向上的Fokker-Planck方程），可以描述ABPs的非平凡输运现象，如趋性和剪切诱导迁移。这项工作将Smoluchowski方程转化为输运方程，其中漂移和弥散可以进一步近似为局部流场的函数。新模型可以应用于任何全球流场，由于其局部性质，不像以前的方法，如利用广义泰勒色散理论。转换表明，整体漂移包括有偏向的运动的个别粒子的存在下的的士和剪切诱导的迁移的士的情况下。此外，它揭示了其他新的漂移和分散之间的相互作用所造成的定向动力学和被动对流扩散的ABPs。最后，该模型的性能进行评估，使用的例子回旋悬浮液，该模型被证明是最准确的偏置运动的颗粒（即的士）是弱的。
2022-01-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.flu-dyn
Effect of polydispersity on the dynamics of active Brownian particles
本文在二维空间中数值研究了具有软排斥势的不同尺寸的自推进圆盘状粒子的动力学和相位。尺寸多样性由多分散指数（PDI）$ε$引入，其是颗粒半径的均匀分布的宽度。粒子的自推进速度控制活性$v$。我们观察到增强动力学的颗粒之间的大尺寸的多样性。我们计算了稳态下的有效扩散系数$D_{eff}$。该体系表现出四个不同的相，小活性的小$D_{eff}$的堵塞相和大活性的高$D_{eff}$的液相。在液相和堵塞相，数的波动分别大于和小于平衡极限。此外，堵塞阶段有两种类型：固体堵塞和液体堵塞的小和大的PDI。而对于小PDI和大PDI，液相被称为运动诱导相分离（MIPS）-液体，我们发现增强的扩散性并将其称为{ \em纯液相}。研究了三种堆积密度$ϕ$的体系，并且对于所有$ϕ$，体系对多分散性的响应是相同的。我们的研究可以帮助理解组织中各种大小的细胞、人工自驱动颗粒或密度环境中不同大小的生物体的行为。
2022-09-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nonequilibrium dynamics and entropy production of a trapped colloidal particle in a complex nonreciprocal medium
本文研究了受剪切流驱动且处于非互易记忆介质中的陷俘Brownian粒子的二维运动，发现当剪切率超过临界值时系统会从稳态转变为非稳态并逃逸陷阱，且跨越稳定性阈值时熵产生率保持有限。
2024-04-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
