Efficiency of Brownian Motors
不同类型的布朗电机的效率进行了计算分析和数值。我们发现，电机的基础上闪烁棘轮提出了一个低效率和不可避免的熵产生。另一方面，一类基于电势变化的电动机，称为可逆棘轮，表现出更高的效率，并且熵产生可以任意减小。
1998-03-25 cond-mat.stat-mech
Dynamics stabilization and transport coherency in a rocking ratchet for cold atoms
光晶格中的冷原子已经成为研究棘轮效应的理想系统，最近的几个实验已经证明了这一点。本文从理论上分析了冷原子棘轮效应中交流驱动输运的两个方面。我们首先解决的问题是否，以及在何种程度上，冷原子的交流驱动棘轮可以作为一个电机。因此，我们从理论上研究了冷原子的耗散电机，通过增加一个负载的一维非磁驱动摇摆棘轮。我们证明了在存在负载的情况下也可以产生电流，例如棘轮装置可以作为马达操作。相应地，我们确定了电机的失速力，其表征了设备可以作为电机运行的负载范围，以及差分移动性，其表征了对负载大小变化的响应。其次，我们比较我们的结果在交流驱动的棘轮装置与运输在直流驱动系统的运输。我们观察到一个特殊的现象：双谐波交流力稳定的动态，允许产生的均匀定向运动的动量范围远远大于可能与直流偏置。我们解释了这样一个稳定的动态观察，非绝热交流驱动器扩大了有效的冷却动量范围，并迫使原子轨迹覆盖这样的区域。因此，系统可以耗散能量并保持稳态能量平衡。我们的研究结果表明，在一个有限范围的速度依赖摩擦的情况下，棘轮装置可以提供控制粒子运动在一个更广泛的范围内的动量相对于一个纯粹的偏置系统的可能性，虽然这是在减少的相干性的成本。
2010-02-03 cond-mat.stat-mech
Reconstruction of the Bacterial Flagellar Motor's Energy Landscape, Viscous Load, and Torque Generation Across Diffusion Regimes
本研究通过单分子数据重构细菌鞭毛马达的能量景观，揭示其扭矩-速度关系在临界倾斜处的非线性特性，并提出适用于其他循环步进马达的通用方法。
2025-12-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
ac-driven Brownian motors: a Fokker-Planck treatment
我们考虑交流驱动布朗电机的一个基本模型，即，置于时空周期势中并与热浴耦合的经典粒子。用含时的Fokker-Planck方程研究了涨落和耗散的影响。该方法允许我们将原始的随机问题映射到一个普通的线性代数方程组。该系统的解提供了棘轮输运的完整信息，避免了直接随机计算的长瞬态和大的统计起伏等缺点。福克-普朗克动力棘轮方法是有益的，并打开了进一步推广的空间。
2008-10-31 cond-mat.stat-mech
Evaluation of the duty ratio of bacterial flagellar motor by a dynamic load control
细菌鞭毛马达是自然界中最复杂的纳米机器之一。占空比$D$是定子和转子相互作用的时间的分数，并且是表征电机的基本属性，但仍有待确定。已知的是，电动机的定子单元动态地绑定到电动机和与电动机分离，以根据电动机上的负载来控制电动机转矩。在诸如质子移位速度的动力学限制旋转速率的低负载下，旋转速率对定子单元数$N$的依赖性推断出$D$ ;对于较小的$D$，依赖性变得更大。报告了支持小型和大型$D$的矛盾观察结果。一个难题是，由于定子单元容易分离，因此难以在低负载下探索大范围的$N$，并且在负载消失时，$N$被限制为一个或两个。在这里，我们开发了一种电旋转的方法来动态控制负载的鞭毛电机{ \it沙门氏菌}与校准的扭矩大小。通过立即降低负载以保持$N$高，我们观察到低负载下的速度取决于$N$，这意味着小的占空比。我们恢复了各个电动机的转矩-速度曲线，并根据高负载时的转矩和低负载时的转速之间的相关性将占空比评估为$0.14 \pm 0.04$。
2019-02-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Brownian motors: noisy transport far from equilibrium
研究了远离热平衡的空间周期系统中的输运现象。主要强调的是在所谓的布朗电机（棘轮），即耗散动力学的存在下的热噪声和一些原型扰动，驱动系统的平衡，而不引入先验的一个明显的偏见到一个或另一个方向的运动的定向运输。定向电流的出现（或不出现）的对称性条件，其反转后的某些参数的变化，和定量的理论预测特定的模型进行了审查，以及各种各样的实验实现和生物学应用，特别是分子马达的建模。扩展包括量子力学和集体效应，哈密顿棘轮，空间无序的影响和扩散输运。
2001-09-04 cond-mat.stat-mech
Driven Ratchets for Cold Atoms
布朗马达或棘轮是“矫正”布朗运动的装置，即它们可以产生无偏波动的粒子流。棘轮效应是一个非常普遍的现象，适用于广泛的物理系统，实际上棘轮已经实现了各种固态设备，光学陷阱设置以及合成分子和颗粒气体。本文综述了近年来在受驱动光晶格中实现冷原子交流驱动棘轮效应的实验研究。对于布朗马达来说，这是一个非常不寻常的系统，因为没有真正的热浴，原子的周期势和涨落都由激光场决定。这样一个系统使我们能够实现实验摇摆和门棘轮，并精确地调查在这些棘轮对称性和运输之间的关系，无论是周期性和准周期性驱动的情况下。
2011-12-05 cond-mat.stat-mech physics.atom-ph quant-ph
Transport and Diffusion Enhancement in Experimentally Realized Non-Gaussian Correlated Ratchets
已知活细胞由于各种活性过程而产生显著大于热波动的非高斯活性波动。了解这些活跃的涨落对各种物理化学过程的影响，例如分子马达的输运，是非平衡物理学中的一个基本问题。因此，我们的实验和数值研究的主动布朗棘轮包括一个胶体粒子在光学产生的非对称周期性的潜在驱动的非高斯噪声具有有限振幅的主动爆发，每个到达随机和指数衰减。我们发现，粒子速度是最大的相对稀疏的爆发有限的相关时间和非高斯分布。这些偶尔的踢，产生布朗但非高斯扩散，是更有效的传输和粒子的扩散增强比主动奥恩斯坦-乌伦贝克噪声的不断踢。
2022-07-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A chemically driven fluctuating ratchet model for actomyosin interaction
参考T. Yanagida和他的同事们在肌动球蛋白相互作用方面，设计了一个波动棘轮类的布朗马达，目的是描述肌球蛋白II头与相邻肌动蛋白丝之间的相互作用。我们的马达将肌球蛋白头部的动力学与与ATP循环相关的化学外部系统相结合，其作用是提供偏置运动所需的能量供应。ATP循环的持续时间，吉布斯自由能和肌球蛋白头的净位移的解析表达式。最后，通过利用Sekimoto（1997，J.Phys.Soc.Jpn.，66，1234），计算出ATP循环期间消耗的能量的量的公式。
2003-05-05 cond-mat.stat-mech q-bio
Thermal Noise Can Facilitate Energy Conversion by Ratchet System?
生物系统中的分子马达有望利用环境涨落。在最近的一封信[物理。{ \bf 80}，5251（1998）]，表明下列问题尚未解决，"热噪声能促进棘轮系统的能量转换吗？我们使用随机能量学来考虑它，并表明存在热噪声有助于能量转换的系统。
1999-06-25 cond-mat.stat-mech q-bio
Mechanochemical Active Ratchet
本文提出一种在棘轮势存在下将纳米尺度主动速度波动转化为净电流的机制，通过由化学反应驱动的自驱动通用模型证明该效应，揭示了化学与机械过程耦合及横向恒定力对净运动的作用，为纳米级主动物质动力学控制提供了新方法。
2023-11-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Ultrasensitivity without conformational spread: A mechanical origin for non-equilibrium cooperativity in the bacterial flagellar motor
Center for Computational Biology, Flatiron Institute（计算生物学中心，平顿研究所）；IBM Thomas J. Watson Research Center（IBM托马斯·J·沃森研究中心）
研究揭示细菌鞭毛马达的超敏性源于机械耦合而非构象扩展，提出非平衡协同机制，通过局部机械扭矩产生协同响应，实验支持该机制的预测。
2025-02-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic mechano-chemical kinetics of molecular motors: a multidisciplinary enterprise from a physicist's perspective
分子马达由单个大分子或大分子复合物组成。就像它们的宏观对应物一样，分子马达将能量输入机械功。这里考虑的所有纳米电机都在远离平衡的等温条件下运行。此外，能量转换的一种可能机制，称为布朗棘轮，甚至没有任何宏观对应物。但是，分子马达并不是布朗棘轮的同义词;大量的分子马达执行嘈杂的动力冲程，而不是像布朗棘轮那样操作。我们不仅回顾了单个马达的结构设计和随机动力学，而且还回顾了它们的协调、合作和竞争以及多模块马达在各种细胞内动力学过程中的组装。虽然这里考虑的所有电机都执行机械运动，但效率和功率输出不一定是某些电机性能的良好衡量标准。在细胞内的纳米马达，我们认为搬运工，滑块和划手，活塞和挂钩，出口商，进口商，包装和移动以及那些也合成，操纵和降解“生命大分子”。我们主要回顾这些马达动力学的定量模型。我们还描述了几个电机驱动的细胞内随机过程的定量模型尚未开发。第一部分主要讨论了分子马达的研究方法和模型。在第二部分中，我们回顾了许多具体的例子，强调统一的基本机制以及多样性的操作所产生的差异，在其详细的结构和动力学。多学科的研究是从物理学家的角度提出的。
2013-06-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Interacting molecular motors: Efficiency and work fluctuations
我们调查模型的“可逆棘轮”与相互作用的粒子，介绍了我们早些时候[Europhys。Lett. 84，50009（2008）]。我们进一步澄清了由于相互作用的效率提高的效果，并表明它是充满活力的起源，而不是减少波动的后果。我们还显示了复杂的结构中出现的相互作用和密度依赖性的电流和响应函数。的工作和输入能量的波动特性详细表明远离平衡的性质的动态。
2011-05-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Active Brownian Motion Models and Applications to Ratchets
本文综述了近年来关于主动布朗运动（ABM）模型的研究进展，ABM模型与油藏耦合，油藏提供自由能，自由能可以转化为运动的动能。首先，我们介绍了一个一般的概念，主动布朗粒子是能够采取能源的来源和转换它的一部分，以执行各种活动。在第二部分中，我们的演示文稿，我们考虑应用ABM棘轮系统具有不同形式的可微潜力。分析和数值评估讨论了三种情况下的正弦，阶梯状和Mateos棘轮电位，也与倾斜的潜在结构建模的附加载荷。此外，考虑高斯白噪声扰动的动力学的随机特性进行了研究，这是负责驱动的棘轮中的渐近通量的方向性。这种\textit{stochastically driven directionality}效应被可视化为右与左运动轨迹的统计的强非单调依赖性，导致粒子的净流。本文还简要讨论了棘轮系统在分子马达中的应用
2008-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.data-an
Anisotropic thermalization propelled motor
布朗电动机和费曼棘轮由于其在统计物理学基础上的重要意义而在过去的几十年里得到了广泛的研究。在这项工作中，我们提出了一种新型的布朗电机，即，一种仅利用电机内外温差的自驱动电机。电机是一个具有非对称几何形状的容器;当填充气体时，如果其温度与环境不同，则会发生定向运动。基本上新的机制是，容器的不对称几何形状可能会引起各向异性热化，从而导致密度梯度并推动马达。当内部温度接近环境温度时，定向运动停止，直到密度梯度消失。同样的机制也适用于设计自驱动转子。可能的实验实现进行了讨论。
2019-07-30 cond-mat.stat-mech
Designing topological edge states in bacterial active matter
本研究通过设计微fabricated网络，实现了细菌活性物质中的拓扑边缘态，揭示了其拓扑起源及关键设计因素。
2026-01-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Signature of (anti)cooperativity in the stochastic fluctuations of small systems: application to the bacterial flagellar motor
本文通过一维晶格气体的巨正则哈密顿量模型研究小系统吸附中的协同性，并将其应用于大肠杆菌鞭毛马达，发现协同性控制定子单元的动态组装，且系统处于兼顾平滑适应与低涨落的最佳参数区域。
2024-02-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Active Matter on Asymmetric Substrates
对于在与不对称衬底相互作用的热浴中的颗粒集合，可能发生棘轮效应，其中颗粒响应于交流强迫而经历净直流运动。棘轮效应已经在各种系统中得到证实，包括胶体以及II型超导体中的磁涡旋。在这里，我们研究的情况下，活性物质或自驱动粒子与非对称基板相互作用。活性物质系统包括经历催化作用的自运动胶体颗粒、游动细菌、人工游泳者、爬行细胞和运动蛋白。我们表明，棘轮效应可以出现在这种类型的系统，即使在没有交流强迫。定向运动发生在某些粒子-基底相互作用规则下，其大小取决于粒子在转向并向新方向游动之前在一个方向游动所花费的时间量。对于严格布朗粒子，不存在棘轮效应。如果粒子从障碍物反射或从障碍物散射，根据斯涅耳定律，则不存在棘轮效应;然而，如果粒子可以与障碍物对齐或沿着障碍物移动，则产生定向运动。我们还发现，在一定的运动规律下，颗粒沿容器壁积聚，与实验一致。我们还研究了同步粒子运动的斑图形成。我们讨论了这个系统的自组装，提取工作，排序以及未来的方向，如考虑集体相互作用和植绒模型的可能应用。
2011-10-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Self-assembly of Brownian motor by reduction of its effective temperature
分析了波动环境中类电机运动的产生、优化和稳定性。运动的出现被证明是一种普遍现象。马达收敛到具有最小有效温度和相应的最小构象变化率的状态，类似于一些随机过程收敛到具有最小扩散活动的状态。这种机制对细菌觅食（趋化性）很重要。因此，这项工作提出了趋化性和类生命系统出现之间的类比。其影响包括稳定的自然或人工机器从最小熵产生原理的偏差，与第一个分子马达的出现和未来的纳米器件的大规模制造的一种新的自组装机制。
2013-12-18 cond-mat.stat-mech
Tension and chemical efficiency of Myosin-II motors
最近的实验表明，来自肌球蛋白II家族的分子马达作为交联诱导细胞骨架网络中的主动张力。在这里，我们修改的布朗棘轮模型，以前研究的上下文中的主动运输沿聚合物轨道，在设置类似于一个电机在聚合物网络，还考虑到静电的影响，在电机头的变化。我们探索重要的机械量，并表明这样的模型也能够mechanosensing。最后，我们介绍了一种新的效率的基础上产生的多余的热量的化学循环，这是直接相关的主动张力电机施加。对于具有不同数量磁头的电机，化学效率差异很大，而它们的机械性能在质量上保持相似。对于头部数量较少的马达，当它们受到挫折时，化学效率最大，这是在较大马达中没有发现的特征。
2017-09-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A Micrometer-sized Heat Engine Operating Between Bacterial Reservoirs
人工微型热机是探索和阐明波动主导的能量转换机制的原型模型[1-2]。迄今为止实现的微型热机模仿其宏观对应物，并在有效热的储层之间操作[3-7]。对于这样的水库，温度是一个明确定义的状态变量和随机热力学提供了一个精确的框架量化发动机性能[8-9]。目前尚不清楚这些概念是否容易转移到水库失衡的情况下[10]，这对合成[11-12]和生物[13]微型发动机和发动机的功能特别重要。在这里，我们实验实现了微米级的主动斯特林发动机周期性循环的胶体粒子在不同的活动在细菌浴在随时间变化的谐波光学电位。与平衡热库不同，被捕获粒子的位移统计随着活动而变得越来越非高斯。我们发现，高达$\approx$ 85\%的总功率输出和$\approx$ 50\%的总效率源于大的非高斯粒子位移单独。最值得注意的是，在所研究的最高活动下，我们的准静态主动热机的效率超过斯特林效率的平衡饱和极限-斯特林发动机的最大效率与冷储层温度和热储层温度之比${T_C\over T_H} \to 0$。至关重要的是，有效温度描述的失效[14-16]突出了对能够更好地捕获在强非热环境中操作的微型马达和热机的物理的理论的迫切需要。
2016-01-13 cond-mat.stat-mech
