Brownian heat engine with active reservoirs
微生物如细菌是活性物质，它们消耗化学能并产生其独特的奔跑和翻滚运动。一群这样的微生物提供了一个非平衡的活性环境，其噪声特性不同于那些热平衡水库。一个重要的区别是一个有限的持续时间，这是相当大的相比，平衡噪声，也就是说，有源噪声着色。在这里，我们研究了一个中观能量收集设备（发动机）与主动水库利用这种噪声的性质。对于一个简单的线性模型，我们分析表明，发动机的效率可以超过传统的卡诺界限，从而释放的功率效率权衡约束，并在最大功率的效率可以克服Curzon-Ahlborn效率。我们发现，主动发动机的至高无上的关键取决于两个主动水库的时间尺度对称性。
2020-03-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The Brownian gyrator: a minimal heat engine on the nano-scale
一个布朗粒子移动的影响下，从两个不同的热浴的耗散和热噪声的通用潜在的最小值附近被示出作为一个最小的热机，产生一个系统的扭矩到物理对象的潜在的起源和相反的扭矩到介质产生的耗散。
2007-10-19 cond-mat.stat-mech
Lossless Brownian information engine
我们报告一个无损的信息引擎，几乎所有可用的信息从一个无错误的反馈协议转换成机械工作。将分辨率为1 nm的高精度检测与超快反馈控制相结合，该引擎经过调整，可从布朗粒子的位置信息中提取最大功。我们表明，由发动机产生的工作实现了一个广义热力学第二定律的约束集，第一次展示了这个界限的清晰度。我们验证了一个广义Jarzynski等式的无差错反馈控制的信息引擎。
2018-02-06 cond-mat.stat-mech
Optimal control theory for maximum power of Brownian heat engines
该研究运用最优控制理论，确定了通用阻尼情形下布朗热机的最优循环结构，填补了过阻尼与欠阻尼极限间的研究空白，还明确了实现最大功率的合适摩擦系数，为高性能布朗热机实验研发提供参考。
2024-10-30 cond-mat.stat-mech
Colossal power extraction from active cyclic Brownian information engines
布朗信息机可以利用信息从热涨落中提取功。到目前为止，关于布朗信息引擎的研究认为系统处于热浴中;然而，自然界中的许多过程都发生在非平衡环境中，例如自推进微生物的悬浮液或称为活性浴的细胞环境。在这里，我们介绍了一个原型模型的Maxwell-demon型循环布朗信息引擎运行在一个高斯相关的活性浴。主动发动机可以提取更多的工作比它的热对应，超过了信息热力学第二定律设定的界限。我们得到了一个通用的积分波动定理的主动发动机，其中包括额外的互信息从一个独特的有效温度的活性浴。这种有效的描述修改了第二定律，并为提取的工作提供了一个新的上限。与在热浴中操作的被动信息引擎不同，主动信息引擎提取在有限周期内达到峰值的巨大功率。我们的研究提供了基本的见解，在测量和反馈控制下的主动浴合成和生物亚微米电机的设计和功能。
2022-03-25 cond-mat.stat-mech
An adjustable Brownian heat engine
一个微观的热机被建模为一个布朗粒子在一个sawtooh潜力（与负载）移动通过一个高粘度的介质驱动的热踢，它从交替放置的热和冷的热源。我们发现封闭形式的表达作为一个功能的参数表征模型的电流。根据这些模型参数的值，发动机也被发现作为一个冰箱的功能。表达式的效率以及制冷机的性能也报告。研究这些量如何依赖于模型参数，使我们能够确定参数空间中的点，发动机以最大功率或最佳效率运行。相应的效率的发动机，然后与内可逆和卡诺发动机。
2002-08-25 cond-mat.stat-mech
Underdamped Active Brownian Heat Engine
主动布朗发动机将来自由自我推进的非平衡分子组成的储存器的能量整流为功。我们考虑一类这样的引擎的基础上欠阻尼布朗粒子被困在幂律潜在的。只有当非平衡储存器可以被分配一个与第二定律一致的合适的有效温度，从而产生发动机效率的上限时，它们转换的能量才具有热的热力学性质。如果熔池施加在颗粒上的总作用力与颗粒位置无关，则存在有效温度。一般来说，如果噪声自相关函数和摩擦核如波动耗散定理中那样成比例，则会发生这种情况。但是，即使比例性被打破，有效温度也可以在限制的、微调的参数范围内定义，正如我们在一个具有谐波势的具体例子中所证明的那样。
2020-11-24 cond-mat.stat-mech
Stochastic Heat Engine Using a Single Brownian Ellipsoid
本文提出一种以布朗椭球体为工质的微观斯特林发动机模型，通过光镊限制位置和方向，周期耦合冷热浴，分析各向异性对功和效率的影响，并探索优化策略。
2025-05-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Optimizing Brownian heat engine with shortcut strategy
等温线的捷径提供了一种强有力的方法来加速有限时间内的准静态热力学过程的操纵。我们采用捷径策略来设计和优化布朗热机，并制定了一个几何描述的热力学长度的能量。我们得到了一个紧密的和可达的输出功率的界，这是达到了最佳的协议，以改变控制参数与适当的恒定速度的热力学长度。我们的结果推广了以前的优化在高度欠阻尼和过阻尼制度的一般阻尼的情况下，并适用于任意有限时间周期。
2022-07-15 cond-mat.stat-mech
Single Particle Brownian Heat Engine With Microadiabaticity
在大的热波动下操作的微到纳米尺度的热装置是一个活跃的研究领域，其中代替平均值，热力学量的完整分布是重要的。在这里，我们研究了一个随机热机的模型，包括一个谐波捕获的布朗粒子的时间周期强度的限制，在两个不同温度的热浴驱动。颗粒遵循两个等温线，对应于两个浴，并通过两个微通道连接。微绝热性是通过保持粒子沿绝热路径的相空间体积来实现的。在这里，我们表明，它可以作为一个发动机或作为加热器下微绝热，取决于参数空间。我们还计算了随机效率的分布及其平均值为不同的循环时间的发动机。
2016-12-29 cond-mat.stat-mech
Paradoxical games and Brownian thermal engines
两个失败的游戏，当以周期性或随机的方式交替时，可以产生一个胜利的游戏。这个悖论发生在随机过程家族中：如果一个人将两个或多个给定数量减少的动态结合起来，结果可能是这个数量增加的动态系统。该悖论可以应用于许多随机系统，并引起了来自不同领域的研究人员的关注。在本文中，我们展示了如何使用这种现象来设计布朗或分子马达，即，通过调整波动来运转的热力发动机。我们简要地回顾了布朗马达的文献，指出布朗马达的一个新的热力学将是分子生物学中的大多数能量转导过程的理解的基础。
2003-09-04 cond-mat.stat-mech
Statistics of power and efficiency for collisional Brownian engines
UHasselt（哈瑟尔特大学）
本文研究碰撞布朗引擎功率与效率的联合统计，发现功率涨落超过平均最大值时高效率概率显著提升，并证明该框架可由Onsager系数推广至更广泛引擎类别。
2025-11-10 cond-mat.stat-mech
Modeling an efficient Brownian heat engine
本文将微型布朗热机模拟为布朗粒子在粘性介质中的跳跃，讨论了棘轮势的细分对热机性能的影响（有或没有负载）的协助下，交替放置的热和冷热浴沿其路径。我们表明，速度，制冷机的效率和性能系数在制冷机电势被细分为较小的连接势垒串联的串联时最大化。当发动机准静态工作时，由于通过动能的不可逆热流，发动机的效率不能接近卡诺效率，制冷机的性能系数始终小于卡诺制冷机。
2008-04-02 cond-mat.other cond-mat.stat-mech
The effect of temperature on viscous friction and the performance of a Brownian heat engine
研究了布朗粒子在周期性棘轮势中的输运特性。由于介质的粘性摩擦力随着介质温度的升高而减小，因此任何关于布朗发动机热力学特性的合理探索都应该考虑温度对流体粘性的作用。在这项工作中，我们研究了这种影响的温度，考虑的粘性摩擦，呈指数下降的背景温度的增加。我们的结果表明，布朗粒子表现出快速的单向运动时，粘性摩擦是温度依赖的比恒定的粘性摩擦。此外，当粘性摩擦与温度有关时，该马达的效率显著提高。另一方面，当粘性摩擦取为常数时，电机表现出更高的制冷机性能。
2015-07-08 cond-mat.stat-mech
Irreversible Brownian heat engine
我们将布朗热机建模为在周期性棘轮势中跳跃的布朗粒子，其中棘轮势与线性降低的背景温度耦合。结果表明，即使在准静态极限下，这种布朗热机的效率也远低于卡诺效率。在准静态极限下，热机的效率接近内可逆热机$η=1-\sqrt{{T_{c}/T_{h}}}$ \cite{c18}的效率。另一方面，发动机的最大动力效率接近$η^{MAX}=1-({T_{c}/T_{h}})^{1\over 4}$。此外，通过省略通过动能的热交换，解析地探索电流以及效率对模型参数的依赖性。在这种情况下，我们表明，优化的效率总是在quaistatic极限和最大功率的效率之间。另一方面，最大功率下的效率总是小于优化效率，因为粒子的快速运动是以能量成本为代价的。时间对电机性能的作用也通过数值模拟进行了探讨。我们的数值计算结果表明，时间$t$以及外部负载决定的颗粒速度的方向。此外，热机的性能随时间而提高。在大$t$（稳态）时，制冷机的速度、效率和性能系数达到最大值。
2016-06-28 cond-mat.stat-mech
Optimal constrained control for generally damped Brownian heat engines
针对循环随机热机优化中固定参数导致实验不可行的问题，提出基于最优控制理论的通用算法，在刚度与温度等现实约束下同时调节循环时间与控制变化，并在一般阻尼布朗粒子系统中验证了其能显著提升功率与效率。
2025-05-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Mechanical pressure and work cycle of confined active Brownian particles
我们推导出一个解析表达式的机械压力的一个通用的一维模型的封闭的活性布朗粒子（ABPs），是有效的所有值的Peclet数Pe和所有限制的情况。我们的模型再现了已知的体压与Pe ^[2]的标度关系，而在强约束压力下则与Pe标度关系。我们的分析结果很好地再现了模拟的ABPs在2D。我们使用压力公式来计算发动机所做的功及其效率。特别是，效率最大化的工作周期与有限的周期，而不是在无限慢循环的限制，在热力发动机。
2021-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Reversible quantum Brownian heat engines for electrons
布朗热机利用非对称势中的局部温度梯度来对抗外力移动粒子。这种机器的能量效率通常受到与不同热浴接触的颗粒所携带的不可逆热流的限制。在这里，我们表明，通过使用适当选择的能量过滤器，电子可以可逆地转移之间的水库，具有不同的温度和电化学电位。我们应用这一结果，提出热机的基础上介观半导体棘轮，它可以准静态操作任意接近卡诺效率。
2002-07-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Enhanced Efficiency in Shear-Loaded Brownian Gyrators
本研究通过外部剪切流作为机械载荷，显著提升了布朗陀螺仪作为热发动机的效率，在最大功率时接近卡诺效率，但揭示了效率与稳定性之间的权衡。
2025-02-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Exactly solvable model of a passive Brownian heat engine and its comparison with active engines
我们使用不同的单粒子随机模型对被动和主动微型热机进行了广泛的分析。利用随机热力学，我们计算了被动和主动布朗热机的热力学功，热量，熵产生和效率的解析以及数值和比较他们。我们运行的热机的协议，平均热力学量计算精确的任意周期时间。我们还讨论了组的协议，可以做精确的非准静态计算，完全在被动发动机的情况下，部分在主动发动机。我们得到详细的非准静态（即强大的）单粒子微型热机的热力学。结果的准静态（即零功率）极限是通过长（无限）周期时间获得的。我们还研究了被动和主动发动机中受限粒子的位置分布。我们比较他们的特性的参数，测量在粒子的位置（由于主动噪声）和谐波约束的主动持久性之间的竞争。我们还计算了多余的峰度，以衡量这些分布的非高斯性。我们的分析表明，这种热机的效率可以提高或降低，这取决于模型中存在的活动。
2022-06-19 cond-mat.stat-mech
Optimal control strategy for collisional Brownian engines
本文针对碰撞布朗引擎性能优化缺失的问题，通过最大化平均输出功推导出由线性力段和瞬时反转速度的脉冲式 delta-like 踢组成的最优驱动协议，实现了高功率、近单位效率且熵产生受控，为有限时间热力学优化提供了理论基准。
2025-11-04 cond-mat.stat-mech
Stochastic energetics of a Brownian motor and refrigerator driven by non-uniform temperature
通过对朗之万惯性方程的数值模拟，研究了由位置相关温度驱动的布朗型热机和热泵（称为Büttiker-Landauer热机和热泵）的热力学.我们确定的最佳性能的热机和热泵的参数值。我们的研究结果定性地不同于基于过阻尼模型的方法。在有限时间条件下考察了热机和热泵在线性响应区的行为，发现其效率低于相同条件下工作的内可逆热机的效率。最后，我们研究了不同的电位和温度分布的作用，以提高系统的效率。我们的模拟结果表明，优化的潜力和温度分布只会导致系统性能的边际增强，由于通过布朗粒子的动能的大熵产生。
2014-06-02 cond-mat.stat-mech
Optimal finite-time Brownian Carnot engine
胶体系统实验控制的最新进展，刺激了中尺度热力学装置生产的革命。功能“教科书”发动机，如斯特林和卡诺循环，已经在远离平衡的胶体系统中产生。与此同时，在设计和分析此类器件方面也取得了重大的理论进展。在这里，我们使用热力学几何的方法来表征最佳的有限时间，非平衡循环操作的参数谐振子接触随时间变化的热浴，特别关注布朗卡诺循环。我们推导出最佳参数化卡诺循环，以及其他两个新的周期，并比较它们的耗散能量，效率和稳态功率生产对彼此和先前测试的实验协议卡诺循环。我们证明了一个20%的改善耗散能量比以前的实验测试协议和$\sim$ 50%的改善，在其他条件下，我们的发动机之一，而我们最终的发动机是更有效和强大的比我们考虑的其他。我们的研究结果提供了实验实现最佳的中尺度热机的手段。
2022-06-14 cond-mat.stat-mech
Efficient asymmetric collisional Brownian particle engines
在有限时间内运行的高效热机的构造是非平衡态热力学中一个基本而及时的课题。我们介绍了一种策略，用于优化布朗发动机的性能，基于碰撞的方法不等的相互作用时间之间的系统和热库。一般（和精确）的热力学性质和它们的优化值的表达式，得到的驱动力，不对称性，水库和协议的温度最大化。研究了发动机优化的不同途径，包括在不对称性、力以及两者同时作用下的输出功率和效率的最大化。对于等温功-功转换器和/或储层之间的小温差，它们仅用昂萨格系数表示。虽然对称发动机可以根据控制参数非常低效地操作，但是系统与每个储器之间的不同接触时间的使用不仅可以增强机器性能（通过确保最大增益的最优调谐来表示），而且还显著地扩大了机器状态操作。该方法为构造有限时间的高效布朗发动机铺平了道路。
2021-08-02 cond-mat.other cond-mat.stat-mech
Brownian Carnot engine
卡诺循环对在两个热浴之间操作的宏观马达的效率施加了基本上限。然而，这个界限需要在微观尺度上重新解释，分子生物发动机和一些人造微引擎在那里运行。正如随机热力学所描述的，微观系统中的能量转移是随机的，热波动引起熵的瞬时减小，允许可能违反卡诺极限。尽管其潜在的相关性的发展热力学的小系统，微观卡诺发动机的实验研究仍然缺乏。在这里，我们报告的卡诺发动机的实验实现与一个单一的光学捕获布朗粒子作为工作物质。我们提出了一个详尽的研究的能量的发动机和分析的波动的有限时间的效率，表明卡诺约束可以被超越为少数的非平衡循环。作为其宏观对应物，我们的卡诺装置的能量学表现出人们期望在不同温度下与浴一起操作的任何微观能量换能器中观察到的基本性质。我们的研究结果表征了发动机中不可逆性的来源和效率的统计特性-这一见解可以激发高效纳米电机设计的新策略。
2015-07-30 cond-mat.stat-mech
Active Brownian Heat Engines
无序能量的非平衡形式什么时候才算热？\textcolor{blue}{We address this question in the context of cyclically operating heat engines in contact with a non-equilibrium energy reservoir that defies the zeroth law of thermodynamics. To consistently address the latter as a heat bath requires the existence of a precise mapping to an equivalent cycle with an equilibrium bath at a time-dependent effective temperature. We identify the most general setup for which this can generically be ascertained and thoroughly discuss an analytically tractable, experimentally relevant scenario}：局限于\textcolor{blue}{periodically}调制谐波势中的布…
2020-09-09 cond-mat.stat-mech
Stochastic heat engine with the consideration of inertial effects and shortcuts to adiabaticity
当与恒温热浴接触的布朗粒子受含时调和势控制时，考虑布朗粒子的惯性效应，可以从Kramers方程严格推导出布朗粒子的分布函数。基于这个严格解和绝热性捷径的概念，我们构造了一个随机热机，利用含时调和势操纵布朗粒子完成一个热力学循环.我们发现，这种随机热机的最大功率的效率等于$1-\sqrt{T_c/T_h}$，其中$T_c$和$T_h$是冷浴和热浴的温度，分别在热力学循环。
2014-05-31 cond-mat.stat-mech
Maximum power Stirling-like heat engine with a harmonically confined Brownian particle
本研究针对单粒子介观热机的功率优化问题，设计了基于简谐约束布朗粒子的类斯特林热机，结合变分法与最优控制理论得到非准静态下的最大功率驱动协议，并数值分析了参数对功率与效率的影响。
2025-01-13 cond-mat.stat-mech
Efficiency at maximum power and efficiency fluctuations in a linear Brownian heat engine model
研究了两粒子Langevin系统的随机热力学。每个颗粒分别与不同温度$T_1$和$T_2~(<T_1)$下的热浴接触。粒子被一个谐振势捕获，并被一个线性外力驱动。该系统可以作为一个自主的热机执行工作的外部驱动力。系统的线性使我们能够分析地检查发动机的热力学性质。我们发现发动机在最大功率$η_{MP}$时的效率由$η_{MP} = 1-\sqrt{T_2/T_1}$给出。这种普遍形式被认为是内可逆热机的一个特征。我们的结果将$η_{MP}$的普遍行为推广到非内可逆热机。在过阻尼极限下，我们还得到了随机效率概率分布的大偏差函数。当$η\leq η_L$和$η\geq η_R$具有模型相关参数$η_{R,L}$时，大偏差函数在平均效率$η= \barη$处取最小值，并单调增加，直到达到平台。对于具有有限个微观构型的热机，在时间对称条件下，达到卡诺效率的概率是最小的。结果表明，卡诺效率的最小似然性不是热机的一般性质。
2016-03-24 cond-mat.stat-mech
Work extraction and performance of colloidal heat engines in viscoelastic baths
嵌入流体中的胶体粒子可以作为一个微观热机，通过一系列的循环变换施加一个光阱。当周围介质为粘弹性时，我们研究了这种布朗发动机的运行模型，这赋予了粒子动力学记忆摩擦。我们分析了流体的弛豫时间对有限时间斯特林循环下胶体发动机性能的影响。我们发现，由于粘弹性流体中的摩擦的频率依赖性，由发动机提供的平均功率和其效率可以大大提高相比，在粘性环境中具有相同的零剪切粘度。此外，随着流体弛豫时间的增加，发动机可以输送正功率输出的循环时间的间隔变宽。我们的研究结果揭示了布朗热机在复杂流体中所经历的摩擦瞬态行为的重要性，当由有限持续时间的热力学循环驱动时，这是不可忽视的。
2021-03-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stochastic Heat Engine Powered By Active Dissipation
纳米器件的热力学是一个活跃的研究领域。尽管它们周围有噪音，但它们经常产生机械功（例如微型热机），显示整流布朗运动（例如分子马达）。这就需要对实验上可量化的热力学效率进行研究。在这里，布朗粒子被具有时间周期性收缩和膨胀的谐波约束所驱动。该系统通过交替地（时间周期性地）连接到具有不同耗散率的浴槽来做功。我们从理论上分析了系统使用随机热力学。热力学量如功、热、效率、熵的变化在长循环时间内通过分析发现。模拟也在不同的周期时间进行。他们表现出良好的协议与分析计算在长周期的时间限制。利用仿真研究了工作、效率和效率的大偏差函数的分布。我们相信，我们的模型的实验实现是可能的。
2018-10-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Achieving Carnot efficiency in a finite-power Brownian Carnot cycle with arbitrary temperature difference
在有限功率下实现卡诺效率是热机中的一个具有挑战性的问题，这是由于对于一般热机而言，效率和功率之间存在折衷关系。指出在不破坏折衷关系的情况下，在系统弛豫时间的消失极限内，可以实现有限功率下的卡诺效率。然而，任何明确的模型，热机，实现这种情况下的任意温差还没有提出。在这里，我们研究一个欠阻尼布朗卡诺循环，其中有限时间绝热过程连接等温过程是战术上采用。我们表明，在上述循环中的弛豫时间的消失极限，卡诺效率和有限功率的兼容性是可以实现的任意温度差。这是理论上解释的基础上得出的权衡关系为我们的周期，这也证实了数值模拟。
2022-03-02 cond-mat.stat-mech
Curzon Ahlborn Type Efficiency in a Brownian Heat Engine with Exponential Temperature Profile
该研究通过指数温度分布下的布朗热机模型，精确推导出 Curzon Ahlborn 效率和内可逆 COP，并揭示其与速度、熵产生之间的权衡关系。
2025-09-24 cond-mat.stat-mech
Thermodynamics at the microscale: from effective heating to the Brownian Carnot engine
本文综述了微尺度下非平衡过程热力学的一系列实验研究。特别是，在这些实验中，我们研究了一个单一的光学捕获微粒浸入水中，并在外部随机力的存在下的热力学性质的波动。在平衡状态下，粒子位置的波动可以用一个有效温度来描述，这个温度可以调节到几千开尔文。等温和非等温热力学过程，也涉及控制参数的变化，通过控制粒子的有效温度和光阱的刚度来实现。由于真正的绝热过程是不可行的胶体系统中，平均绝热协议，没有平均的热量之间交换的粒子和环境进行了讨论和实施。通过连接等温和绝热协议，它示出了如何单粒子卡诺发动机可以构造。最后，我们提供了一个深入的研究的波动的能量和循环的效率。
2016-05-16 cond-mat.stat-mech
Stochastic efficiency of an isothermal work-to-work converter engine
我们研究了等温布朗功-功转换器发动机的效率，该发动机由布朗粒子耦合到恒温热浴中组成。该系统是通过使用两个外部的时间依赖的随机高斯力，其中一个被称为负载力，另一个被称为驱动力保持平衡。这两种力所做的功是随机量。这种小型发动机的效率被定义为对负载力所做的随机功与驱动力所做的随机功之比。分析了随机效率的概率密度函数和大偏差函数，并通过数值模拟进行了验证。
2021-03-24 cond-mat.stat-mech
Thermodynamic optimization of thermal landscapes and energy barriers in a Brownian heat engine
West Los Angeles College（西洛杉矶学院）
本文针对布朗热机构建逆设计问题，推导了任意温度场的稳态电流与概率密度，得到准静态效率最优解及有限电流下的优化条件，明确了最大化电流的能垒平衡关系。
2026-09-03 cond-mat.stat-mech
Anomalous Brownian Refrigerator
我们提出了一个详细的研究布朗粒子驱动的卡诺型制冷协议之间的两个热浴。欠阻尼和过阻尼的限制进行了研究。粒子处于具有时间周期强度的谐波势中，该谐波势驱动粒子在浴之间循环。每个循环由两个不同温度下的等温步骤和两个连接它们的绝热步骤组成。除了作为一个随机制冷机工作，分析表明，在准静态制度的系统也可以作为随机加热器，取决于浴温度。有趣的是，在非准静态状态下，我们的系统甚至可以作为一个随机的热机的循环时间和浴温度的一定范围内工作。我们表明，这种发动机的操作是不可靠的。随机效率/性能系数（COP）的波动主导其平均值。它们的分布呈现幂律尾，但指数并不普适。我们的研究表明，微观机器并不是我们日常生活中遇到的宏观机器的微观等价物。我们发现，我们的系统在引擎协议下的性能和它的反向之间没有一一对应的关系。
2015-11-03 cond-mat.stat-mech
Geometric Brownian information engine with finite cycle time: Optimisation of output work, power and efficiency
本文研究有限循环时间对几何布朗信息引擎性能的影响，发现最优反馈位置与测量距离关系随循环时间变化，长循环时反馈位置为测量距离两倍时功和效率最高。
2025-06-19 cond-mat.stat-mech
Exact chemo--thermal Metropolis Brownian engine: chemical leverage, temperature-neutral stall, power optimization, and multicyclic dissipation
West Los Angeles College（西洛杉矶学院）
本研究构建了可精确求解的三态Metropolis布朗热机的化学-热扩展模型，推导了精确循环亲和度、停滞力等，发现温度中立化学补偿点，明确定态电流与μu的关系。
2026-08-27 cond-mat.stat-mech
The underdamped Brownian duet and stochastic linear irreversible thermodynamics
在我们早期工作的基础上（Proesmans et.例如，物理学~修订版~ X \textbf{6}（2016），041010），我们引入欠阻尼布朗二重奏作为耗散系统或工作到工作引擎的原型模型。随机热力学理论的几个最新进展与明确的分析计算和相应的朗之万模拟说明。特别是，我们讨论了Onsager-Casimir对称性，功率，效率和耗散之间的权衡关系，以及随机效率。
2017-04-07 cond-mat.stat-mech
Inertialess Gyrating Engines
旋转发动机的典型模型由一个惯性轮组成，惯性轮由一个产生角度相关扭矩的能源提供动力。这种发动机的例子包括具有外部施加的扭矩的摆、斯特林发动机和布朗旋转发动机。扭矩的变化被系统的惯性平均，以产生极限环振荡。虽然扭矩产生机制在生物世界中也是普遍存在的，在那里它们通常以化学梯度为基础，但惯性并不是与这种过程自然相关的属性。在目前的工作中，寻求方法来免除惯性效应的需要，我们研究了一个惯性少的概念，其中耦合的扭矩产生组件的组合效应平均出环境电位的变化，并有助于克服耗散力，以允许持续运行的小惯性消失。我们通过分析上述两个引擎，斯特林发动机和布朗旋转发动机，这个惯性少的概念。类似的原理可以在生物分子过程以及现代技术发动机中寻找，其中对于后者，耦合的扭矩产生部件减少了源于所产生的扭矩的可变性的振动。
2022-08-02 cond-mat.stat-mech
Driven Brownian particle as a paradigm for a nonequilibrium heat bath: Effective temperature and cyclic work extraction
我们将基于涨落耗散比的依赖于频率的有效温度的概念应用于处于非平衡稳态的受驱动布朗粒子。使用该系统作为弱耦合谐振子的恒温器，该谐振子在整个频谱上根据相应有效温度下的正则分布热化。通过将振荡器从被动的“温度计”转变为热机，我们实现了从单个热库循环提取功，这仅由于其非平衡性质而可行。
2017-05-02 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
Motor Proteins Have Highly Correlated Brownian Engines
双头马达蛋白，如驱动蛋白和动力蛋白，水解环境ATP，以沿着细胞骨架丝如微管单向推进。在驱动蛋白的情况下，蛋白质头部主要结合在构成微管原丝的不对称α-β 8 nm长的微管蛋白二聚体的α微管蛋白位点上。驱动蛋白二聚体克服高达5 pN的局部结合力，并且已知以ATP浓度依赖性速度在原丝上移动，同时平均每8 nm步长水解一个ATP分子。蛋白质轨迹的显著特征是从一个微管蛋白二聚体到下一个微管蛋白二聚体的明显突然的通常8 nm长的步骤，与微管蛋白位点处的长的静止结合期交错。这种类型的离散行走的特征在于与纯偏置随机行走相比显著降低的方差，并且因此排除了闪光型棘轮模型作为用于电机运动的可能机制。另一方面，简单的添加剂相关的布朗棘轮，目前正是这些离散的轨迹模式与减少的方差是兼容的蛋白质运动的一般特征。在最简单的这种模型中，蛋白质被简化为一个单一的粒子在一个周期性的非对称微管衍生的潜力和环境和ATP的相互作用包括在一个相关的加性噪声项。对于这个模型，我们表明，由此产生的蛋白质步行功能类似于实验数据。此外，在由弹簧连接的两个质量的更现实的力学模型中，我们发现了与最近的实验事实有关的蛋白质嵌合体的运动的定性协议，该蛋白质嵌合体通过驱动蛋白运动域与非红葡萄酒分离（ncd）颈部区域形成。
1998-06-09 cond-mat.stat-mech q-bio
Efficiency at maximum power: An analytically solvable model for stochastic heat engines
在有限时间热力学框架下研究了一类循环布朗热机。对于无限长的循环时间，发动机在卡诺效率极限下工作，但是产生零功率。对于最大功率下的效率，我们发现了一个普遍的表达式，不同于内可逆的Curzon-Ahlborn效率。我们的结果说明了一个简单的一维引擎的工作，并与时间相关的谐波势。
2007-10-22 cond-mat.stat-mech
Instantaneous equilibrium Transport for Brownian systems under time-dependent temperature and potential variations: Reversibility, Heat and work relations, and Fast Isentropic process
建立了布朗粒子在任意温度和势随时间变化的情况下的瞬时平衡跃迁理论。结果表明，它是必要的，以考虑欠阻尼动力学的温度变化的过渡。ieq是由一个随时间变化的辅助位置和动量势，它可以计算给定的随时间变化的过渡协议。显式的解析结果推导出的工作和热统计，能量和熵变化的谐波和非谐波捕获势与任意时间相关的潜在参数和温度协议。计算了相应的朗之万动力学的数值解，证实了理论结果。虽然由于控制参数的奇宇称性，逆过程ieq跃迁不是正过程ieq跃迁的时间反演，但它们的相空间分布函数恢复了时间反演的对称性，因此逆过程ieq跃迁的能量和熵变只是正过程ieq跃迁的负值.此外，它表明，它是可能的，以构建一个ieq过渡，具有零熵产生在有限的过渡率，即，一个快速ieq等熵过程，并进一步证明了显式朗之万动力学模拟。我们的理论为设计受控的微观热机循环提供了基础。本文还讨论了建立一个高效布朗热机的意义。
2021-08-05 cond-mat.stat-mech
Directional information transfer between interacting Brownian particles
Department of Physics, The University of Osaka（大阪大学物理系）
研究揭示了相互作用布朗粒子间因质量不对称性导致的信息单向传递现象，通过转移熵分析发现信息流动与记忆容量和可预测性竞争相关，且净信息流与质量比呈对数关系。
2026-08-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A Single-granule Stirling Heat Engine
Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心）；Indian Institute of Science（印度科学学院）
该研究设计了一种无热斯特林热机，通过振动流化颗粒和噪声注入实现可控的布朗动力学，验证了有限时间热力学的功率-效率权衡并实现了最大功率效率。
2025-12-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Destructive effect of fluctuations on the performance of a Brownian gyrator
Sorbonne Université（索邦大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée (UMR CNRS 7600)（凝聚态物质理论物理实验室）；Physics Department, Univer（物理学系，大学）
本文研究了布朗运动陀螺仪在非平衡条件下的性能，发现其波动对性能具有破坏性影响，并通过数值模拟和实验数据验证了理论预测。
2023-11-29 cond-mat.stat-mech
Machines of life: catalogue, stochastic process modeling, probabilistic reverse engineering and the PIs- from Aristotle to Alberts
分子机器由单个蛋白质或由蛋白质和RNA分子组成的大分子复合物组成。就像它们的宏观对应物一样，这些纳米机器中的每一个都有一个发动机，该发动机将输入能量“转换”成输出形式，然后通过耦合到传输系统来进行适当的操作。由卡诺开创的热机理论是以平衡态热力学第二定律为基础的。然而，分子机器的发动机在远离热力学平衡的等温条件下操作。此外，由费曼推广并称为布朗棘轮的能量转换的可能机制之一甚至没有任何宏观对应物。但是，{ \it分子机器与布朗棘轮不是同义词};大量分子机器实际上执行嘈杂的动力冲程，而不是像布朗棘轮那样操作。人机类比是一个激烈的哲学争论的话题，许多主要的哲学家如亚里士多德和笛卡尔都参与了这一争论，在光学显微镜发明后，人机类比被扩展到细胞和亚细胞水平上。由马塞洛·马尔皮吉（Marcelo Malpighi）率先提出的分子机器的想法在过去的50年里得到了积极的追求。它已成为一个既定的主题，目前的跨学科研究，从出版的一个非常有影响力的文件，由艾伯茨对20世纪末的证据。在这里，我们给出了一个非技术性的概述策略（a）机械化学动力学过程的随机建模，和（b）模型选择的基础上，从实验数据分析得出的统计推断。它是为非专家编写的，从广泛的角度来看，显示了物理学的几个不同分支和其他科学技术领域的重叠概念。
2012-03-14 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Optimal finite-time heat engines under constrained control
我们优化有限时间随机热机与周期性缩放的哈密顿浴温度$T$和缩放参数$λ$的实验激励约束下。我们提出了一个一般的几何证明，最大效率的协议$T$和$λ$分段恒定，交替的最大和最小允许值。当$λ$被限制在一个小的范围内，系统在等温线的两端接近平衡时，类似的论点表明，该协议也使输出功率最大化。这些结果对任意动力学都是有效的。我们说明他们的过阻尼布朗热机，这可以通过实验实现使用光镊刚度$λ$。
2022-07-18 cond-mat.stat-mech
Second moments of work and heat for a single particle stochastic heat engine in a breathing harmonic potential
本文考虑一个简单的随机热机模型，它由一个在一维周期呼吸谐振势中运动的布朗粒子组成。假设过阻尼限值。以积分的形式得到了热功二阶矩（方差和协方差）的表达式，其被积函数包含满足一定微分方程的函数。准静态极限的结果是热浴和冷浴温度的简单函数。工作的变异系数建议给出一个近似的概率工作超过一定的阈值。在推导过程中，我们得到了累积量母函数的表达式。
2022-02-03 cond-mat.stat-mech
Optimal time-entropy bounds and speed limits for Brownian thermal shortcuts
本文通过实时调控光镊微球辐射压力方差设计温度协议，推导有限时间热转移的最优时间–熵权衡与速度极限，为介观有限时间热力学循环及信息几何研究提供基础。
2023-02-12 cond-mat.stat-mech physics.class-ph
Correlation-enhanced Stability of Microscopic Cyclic Heat Engines
对于在有限循环周期内运行的循环热机，热力学量具有循环间和循环内的相关性。通过适当调整驱动协议，我们可以得到负的周期间相关性，以减少通过多个周期的工作波动，这导致增强的稳定性相比，单周期操作。以过阻尼布朗粒子为工作物质的奥托发动机为例，我们通过循环间关联确定了一种获得这种增强稳定性的方案。此外，我们证明，增强可以很容易地实现在目前的实验中，广泛的协议。通过在实验可实现的范围内调整参数，可以将工作的不确定性降低到低于$\sim 50 \%$。
2022-08-04 cond-mat.stat-mech quant-ph
