An Efficient Integrator Scheme for Sampling the (Quantum) Isobaric-Isothermal Ensemble in (Path Integral) Molecular Dynamics Simulations
本文提出一种统一的中点积分器方案，可同时采样构型与体积分布，用于经典和量子等压-等温系综的高效模拟，在不增加计算代价下将时间步长提升5到10倍并保持相同精度。
2025-04-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Interface kinetics in phase field models: isothermal transformations in binary alloys and steps dynamics in molecular-beam-epitaxy
我们提出了一个统一的描述界面动力学效应的相场模型等温转变在二元合金和步骤动力学的分子束外延。相场运动方程包含了相场和浓度场之间的动力学交叉耦合。这种交叉耦合概括了动力学效应的现象，直到最近才在经典相场模型中被忽略。我们推导出一般表达式（独立的相场模型的细节）的动力学系数在相应的宏观方法使用物理动机的减少过程。后者相当于所谓的薄界面极限，但在技术上更简单。它涉及到计算的有效耗散，可以归因于相场模型中的界面。我们详细讨论了一个非正定矩阵的动力学系数的可能性，即一个负的有效界面耗散，虽然在底层相场模型的稳定范围内。在数值计算上，我们研究了由于Ehrlich-Schwoebel效应，在我们的模型中，由于交叉耦合的分子束外延的阶梯聚束不稳定性。使用的减少过程中，我们比较的相场模拟的结果与宏观方法的分析预测。
2014-02-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Microscopic low-dissipation heat engine via shortcuts to adiabaticity and shortcuts to isothermality
通过在含时谐振势中驱动布朗粒子，建立了一个低耗散发动机的微观模型。引入绝热性捷径和等温性捷径，分别实现热力学循环中的绝热分支和等温分支。推导了这种发动机最大功率时效率的解析表达式。该表达式满足最大功率下效率的普遍规律，直到卡诺效率的二阶。本文还分析了一般低耗散发动机在任意效率下的功率问题，分别得到了三种极限情况下功率的上确界。
2022-06-06 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
Spontaneous formation of helical states in polymer chains via molecular dynamics simulation
采用等温分子动力学模拟再现了聚合物塌缩的分子过程。通过连续空间中的无规行走得到初始高分子链。两个潜在的模型被认为是代表单体之间的短程相互作用。测量了聚合物塌陷过程中的各种结构性质，并观察到不同的塌陷途径。在低温下，我们得到了一个自发的螺旋态的坍缩。
2006-05-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Efficiency at maximum power of interacting molecular machines
我们研究了分子马达系统在最大功率下的效率。我们考虑两种模型的驱动蛋白电机上的微管：对于简化和详细的模型，我们发现，多体排斥效应提高了效率，在最大功率的多电机系统，相对于单电机的情况下。值得注意的是，我们发现，这种效果发生在一个有限的区域的系统参数，兼容的生物相关的范围。
2012-10-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Magnetocaloric properties of V6 molecular magnet
本文从理论上研究了含6个钒离子的多钒酸盐分子磁体V6的磁热性质，其中钒离子带有量子自旋$S = 1/2$。这种结构的特点是存在两个弱相互作用的自旋三角形与全反铁磁耦合。该系统的属性描述使用精确的数值对角化方法应用于量子海森堡模型，并利用场系综形式主义。计算并讨论了磁熵和磁比热随温度和外加磁场的变化关系。磁热性能通过等温熵变和熵对磁场的导数来量化。一个有趣的行为的等温熵变的发现，具有高度的可调性的磁热效应与初始和最终的磁场值。
2019-10-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Maximum Power Output of Quantum Heat Engine with Energy Bath
量子等能过程与量子等温过程的区别在于量子体系中能量均分定律的违背。为了揭示这一事实的重要物理意义，本文研究了一种特殊类型的量子热机，它由三个过程组成：等能过程、等温过程和绝热过程。因此，该发动机在能量和热浴之间工作。结合两个这样的引擎，就有可能实现量子卡诺引擎。进一步，考虑势场形状的有限变化速度，讨论了具有移动壁的无限深方势阱发动机的输出功率。结果表明，效率和功率输出都与量子等温过程的初态和终态密切相关。发动机循环的性能被示出为通过控制基态的占据概率来优化，所述占据概率由温度和势宽度决定。并讨论了效率与输出功率的关系。
2016-05-26 cond-mat.stat-mech physics.gen-ph
Efficiency at maximum power output of an irreversible Carnot-like cycle with internally dissipative friction
我们调查的效率在最大功率的不可逆卡诺发动机进行有限时间的两个水库之间的温度$T_h$和$T_c$ $(T_c<T_h)$的循环，考虑到内部耗散摩擦在两个“绝热”过程。在无摩擦的情况下，最大功率输出时的效率被恢复为位于$η_{_C}/$和$η_{_C}/(2-η_{_C})$之间，其中$η_{_C}=1-T_c/{T_h}$是卡诺效率。热、冷等温过程中耗散的强极限导致最大功率输出时的效率分别接近$η_{_C}/$和$η_{_C}/(2-η_{_C})$的值。当两个等温过程和两个绝热过程的耗散分别对称时，最大功率输出时的效率被发现在0和Curzon-Ahlborn（CA）效率$1-\sqrt{1-η{_C}}$之间，并且CA效率是在没有内耗散摩擦的情况下实现的。
2012-06-08 cond-mat.stat-mech
Efficiency of isothermal active matter engines: Strong driving beats weak driving
我们研究使用单个活性粒子作为“工作介质”的微观引擎。驱动粒子定向运动所需的部分能量即使在恒温下也可以作为功回收。可以通过示意性地说明为定向运动提供动力的化学自由度来捕获广泛类别的合成活性颗粒，而不必解析精确的微观机制。我们推导出准静态热力学效率的分析结果，即，可用的化学能中可以作为机械功回收的部分。虽然这种效率对于胶体颗粒来说非常小，但随着耗散的增加而增加，超过线性响应范围，并且在大推进速度下达到最大值。我们的研究结果表明，驾驶超过线性响应制度的主动发动机的效率有重要的后果。
2022-01-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Ergodic Isoenergetic Molecular Dynamics for Microcanonical-Ensemble Averages
相当多的研究已经导致遍历等温动力学，它可以复制吉布斯的正则分布的简单（小）的动力学问题。在哈密顿运动方程中加入一个或两个恒温器力，可以给谐振子、四次振子甚至“墨西哥帽”（双阱）势问题提供遍历等温动力学。在这里，我们考虑一个时间可逆的动力学方法吉布斯的“微正则”（等能量）分布的简单系统。为了实现等能遍历性，我们在速度上加上偶然的随机旋转。这个概念准确地保存了能量，并且可以用遍历动力学来覆盖整个能量壳层。我们完全避免了庞加莱截面孔和典型的哈密顿混沌岛链。我们说明这个想法最简单的可能的二维例子，一个单一的粒子在一个周期性的正方形点阵阵列的散射体，“细胞模型”。
2018-07-13 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Thermodynamic Entropy from Sadi Carnot's Cycle using Gauss' and Doll's-Tensor Molecular Dynamics
卡诺的四部分理想气体循环包括等温和绝热膨胀和压缩。分析这个循环为统计热力学提供了基本的基础。我们从教学的角度探讨循环，以促进理解宏观热力学熵，态函数与热能的变化。从另一种微观观点来看，哈密顿量${\cal H}(q,p)$是能量，熵是与宏观状态相关的相空间体积$Ω$（的对数）。我们将两种新形式的哈密顿力学应用于卡诺循环：[1]等温段的高斯等动力学和[2]等熵绝热段的多尔张量。我们探讨的等效性的微观和宏观观点卡诺循环简单的流体在这里，开始与理想的克努森气体和扩展的分析，以一个原型的简单流体。
2022-02-09 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph physics.comp-ph
Enabling Large-Scale Condensed-Phase Hybrid Density Functional Theory Based $Ab$ $Initio$ Molecular Dynamics II: Extensions to the Isobaric-Isoenthalpic and Isobaric-Isothermal Ensembles
在本系列的前一篇论文中[JCTC 2020，16，3757]，我们提出了一个基于占用空间的局部表示的理论和算法框架，该框架利用了有限间隙系统中EXX相互作用的实空间评估中的固有稀疏性。这是伴随着一个详细的描述exx，大规模并行混合MPI/OpenMP实现这种方法在量子ESTERO，使线性缩放混合DFT基于AIMD的NVE/NVT系综的凝聚相系统包含500- 1000个原子（在固定的正交细胞）与壁时间成本可比半本地DFT。在这项工作中，我们扩展exx，使混合DFT为基础的AIMD的大规模凝聚相系统与一般和波动的细胞在NpH/NpT合奏。我们的理论扩展包括一个分析推导的EXX贡献的应力张量的系统在一般的细胞与计算复杂性，系统的大小线性缩放。对exx的相应算法扩展包括优化的例程：（i）处理具有非正交晶格对称性的静态/波动单元，（ii）通过自动选择离散拉普拉斯算子的Natan-Kronik表示中的辅助网格方向来求解一般单元中的泊松方程，以及（iii）评估ESX对应力张量的贡献。我们还严格评估的计算性能的扩展exx模块在几个不同的HPC架构通过冰Ih，II和III以及周围的液态水的案例研究。我们发现，扩展的exx可以评估ESX对应力张量的贡献，成本可以忽略不计（< 1%），并且保持高度可扩展性，从而使我们更接近于在广泛的热力学条件下对大规模凝聚相系统常规执行基于混合DFT的AIMD。
2021-05-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Efficiency of molecular motors at maximum power
分子马达将ATP水解获得的化学能转化为克服外力的机械功。我们计算了两个简单的通用模型在最大功率输出时的效率，并表明定性行为关键取决于过渡态的位置。具体地，我们发现初始状态附近的过渡态（有时被表征为“动力冲程”）对于最大功率下的高功率输出和高效率两者是最有利的。在这种情况下，通过施加更高的化学电势差来驱动马达进一步脱离平衡甚至可以反直觉地增加效率。
2008-07-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Maximum power operation of interacting molecular motors
我们研究了不同的交通模型的驱动蛋白，这是相关的生物和实验背景下的机械和热力学性质。我们发现，电机-电机的相互作用发挥了根本性的作用，通过提高电机的最大功率的热力学效率，相比，非相互作用的系统，在广泛的生物相容的情况下。我们进一步考虑的情况下，电机-电机的相互作用直接影响的内部化学循环和系统动力学和热力学的影响进行调查。
2013-07-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Theory of nonequilibrium free energy transduction by molecular machines
生物分子机器是在不同形式的自由能之间转换的蛋白质复合物。它们在自然界中被用来完成许多细胞任务。作为低雷诺数下的等温非平衡随机物体，它们面临着一系列独特的挑战，相比更熟悉的人类工程宏观机器。在这里，我们审查的核心问题，在他们的性能作为自由能传感器，概述理论和建模方法来理解这些问题，确定其操作特性和设计原则，以提高性能的物理限制，并讨论新兴的研究领域。
2019-09-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Molecular machines operating on nanoscale: from classical to quantum
本文综述了微观世界中等温纳米机器的主要物理特征和工作原理，这些特征是经典机器和量子机器所共有的。特别注意耗散和热波动的双重和建设性的作用，波动耗散定理，热损失和自由能转换，热力学效率，和最大功率时的热力学效率。几个基本模型被认为是和讨论，突出通用的物理特征。我们的论述可以发现一些常见的谬误，继续困扰着文献，特别是错误的信念，一个应该尽量减少摩擦和降低温度，以达到高性能的布朗机，在最大功率的热力学效率不能超过一半。异常分子马达亚扩散，但在活细胞的粘弹性环境中的高效操作的新兴话题进行了讨论。
2016-03-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Speed-ups to isothermality: Enhanced quantum thermal machines through control of the system-bath coupling
等温转化是最小耗散但缓慢的过程，因为系统需要沿着协议保持接近热平衡。在这里，我们表明，顺利修改系统浴相互作用可以显着加快这种转变。特别是，我们构建的协议，其中总耗散$W_{\rm diss}$衰减的总时间$τ_{\rm tot}$的协议为$W_{\rm diss} \propto τ_{\rm tot}^{-2α-1}$，其中每个值$α> 0$可以通过一个适当的修改的相互作用，而$α=0$对应于一个标准的等温过程中的系统浴相互作用保持不变。考虑热机的基础上，这样的加速，我们表明，相应的效率在最大功率插值之间的Curzon-Ahlborn效率$α=0$和卡诺效率$α\to \infty$。对制冷机的性能系数也有类似的提高。我们证实了我们的分析结果与两个数值例子，其中$α= 1/2$，即随时间变化的Caldeira-Leggett和共振能级模型，与强系统环境相关性充分考虑。我们强调了实现我们提出的超冷原子杂质和介观电子器件的加速的可能性。
2020-07-22 cond-mat.stat-mech quant-ph
Power-law setting of steady concentration in a binary solution within a droplet at diffusion-controlled or free-molecular regimes of the droplet binary growth in the vapor-gas environment
显着的超临界二元液滴成核后，达到幂律的液滴半径的时间增长所需的时间，发现分析和估计在扩散控制或自由分子制度的等温二元蒸汽冷凝。分析了在相同的二元冷凝制度下，二元溶液在增长液滴内的浓度稳定过程。结果表明，设定稳定的液滴浓度在时间上也具有幂律特性。幂律的参数指定为每个制度的二元冷凝，并连接到冷凝蒸汽的热力学和动力学特性，并建立在一个二元液滴的稳定浓度。
2009-01-22 cond-mat.stat-mech
Efficiency at maximum power output of linear irreversible Carnot-like heat engines
基于工质在各“等温”过程中的不可逆熵产率是工质与热源之间的热交换率的二次型的假设，研究了线性不可逆类卡诺热机在最大功率输出时的效率。结果表明，在类卡诺循环的两个等温过程中，最大功率输出对应于不可逆熵产的最小化，最大功率输出时的效率具有$η_{mP}={η_C}/(2-γη_C)$的形式，其中$η_C$是卡诺效率，而$γ$取决于工质与两个贮液器之间的传热系数. $η_{mP}$的值介于$η_{-}\equiv η_C/2$和$η_{+}\equivη_C/(2-η_C)$之间。这些结果与Chen和Yan [\textbf{90}，3740（1989）]基于内可逆假设获得的结果一致，与Esposito \textit{et al.} [Phys.Rev.Lett. \textbf{105}，150603（2010）]，以及Schmiedl和Seifert [EPL \textbf{81}，20003（2008）]针对随机热机获得的那些，其实际上也满足低耗散假设。此外，我们发现，内可逆假设恰好适用于基于我们的基本假设的最大功率输出的卡诺类热机，并且我们所关注的卡诺类热机并不严格满足低耗散假设，这意味着低耗散假设或我们的基本假设是充分的，但不是给出了$η_{mP}={η_C}/(2-γη_C)$有效的必要条件以及$η_{-}\equiv η_C/2$和$η_{+}\equivη_C/(2-…
2011-12-09 cond-mat.stat-mech
Bounds of Efficiency at Maximum Power for Normal-, Sub- and Super-Dissipative Carnot-Like Heat Engines
根据“等温”过程中最小不可逆熵产与完成这些过程所需时间的关系，将类卡诺热机分为正常耗散、亚耗散和超耗散三类。本文证明了正常、亚、超耗散类卡诺热机在最大功率时的效率分别有界于$η_C/2$与$η_C/(2-η_C)$、$η_C /2$与$η_C$、0与$η_C/(2-η_C)$之间。这些边界也被线性、亚线性和超线性不可逆卡诺式发动机所共享[Tu和Wang，Europhys. Lett. 98，40001（2012）]，尽管耗散发动机和不可逆发动机彼此不等价。
2013-01-24 cond-mat.stat-mech
Efficiency at maximum power of low dissipation Carnot engines
我们研究的效率在最大功率，$η^*$，发动机执行有限时间卡诺循环之间的热和冷水库温度$T_h$和$T_c$，分别。对于在可逆极限（长循环时间，零耗散）下达到卡诺效率$η_C=1-T_c/T_h$的发动机，我们发现在低耗散极限下，$η^*$由$η_C/(2-η_C)$和$η_C/2$从上到下限定。当冷等温相和热等温相的耗散比分别趋于零或无穷大时，就达到了这些界限。对于对称耗散（比率1），恢复了Curzon-Ahlborn效率$η_{CA}=1-\sqrt{T_c/T_h}$。
2010-09-15 cond-mat.stat-mech
Brownian duet: A novel tale of thermodynamic efficiency
我们分析计算了由两个时间周期力驱动的等温布朗发动机的随机热力学性质，包括其Onsager系数，每个力的随机功，以及相应的随机熵产生。我们验证了不同的操作制度，最大功率，最大效率和最小耗散之间的关系，并重现随机效率的签名功能。所有这些结果都是在胶体系统上进行的实验测试，没有可调参数。
2016-07-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
