The first-passage area for drifted Brownian motion and the moments of the Airy distribution
本文导出了漂移布朗运动到首达时扫掠面积分布的精确表达式。渐近行为的研究证实了早期的apturtures和澄清其有效性范围。分析还导致一个简单的封闭形式的解决方案的时刻的艾里分布。
2007-06-14 cond-mat.stat-mech math.CO math.PR
Statistics of the first passage time of Brownian motion conditioned by maximum value or area
我们导出了布朗运动以最大值或扫过面积为条件的首过时间的矩。这些数量是自然对应的时刻的最大值和区域的布朗行程的固定持续时间,我们也得到完整性在同一数学框架内。指出了各种应用。
2014-09-10 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
The role of non-conservative scattering forces and damping on Brownian particles in optical traps
我们考虑一个模型的粒子被困在一个谐波光学陷阱,但与一个非保守的辐射诱导力。该模型被称为正确地描述实验观察到的捕获粒子的统计范围广泛的物理参数,如温度和压力。从理论上分析了非保守力对粒子位置的稳态分布和功率谱的影响。我们计算微扰的概率分布所产生的非平衡稳定状态的所有动力学制度,欠阻尼过阻尼和相关的电流在相空间(位置和速度)的表达式。我们还给出了在所有动力学区域和任何非保守力值下被囚禁粒子位置的谱密度。签名的存在非保守力被证明是特别强的欠阻尼制度在低频率。
2018-12-21 cond-mat.stat-mech
The cost of speed: Time-optimal thermal control of trapped Brownian particles
Universidad de Granada(格拉纳达大学);Simon Fraser University(西蒙菲莎大学);Facultad de Educación, Economía y Tecnología de Ceuta(休达教育、经济与技术学院);Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional(卡洛斯一世理论与计算物理研究所);Universidad de Sevilla(塞维利亚大学)
该研究通过实验实现了热力学最优控制,揭示了在多维随机系统中,更快的平衡需要更大的熵产和热力学长度,展示了时间最优性和热力学成本之间的直接权衡。
2026-02-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Steady State of an Active Brownian Particle in Two-Dimensional Harmonic Trap
我们找到了一个精确的级数解的稳态概率分布的谐波捕获的活性布朗粒子在二维中,在平移扩散的存在下。这个系列的解决方案,使我们能够有效地探索在不同的参数制度的系统的行为。识别“主动”和“被动”制度,我们预测一个令人惊讶的再入主动到被动的过渡,增加陷阱刚度。我们的数值模拟验证了这一发现。我们讨论了各种有趣的极限情况下,其中封闭形式的分布表达式可以得到。
2020-02-03 cond-mat.stat-mech
Exact dynamics and dimensional effects in torque-driven trapped active Brownian particles
Indian Institute of Science Education and Research Mohali(印度科学教育研究学院莫哈利分校);Tata Institute of Fundamental Research(塔塔基础研究所);University of Vermont(佛蒙特大学);Institute of Physics(物理研究所);Homi Bhabha National Institute(霍米·巴巴国民研究所)
本文基于福克-普朗克方程的拉普拉斯变换解,提出分析二维和三维空间中活性布朗粒子在谐振阱中动力学的精确方法,揭示了 chirality、自推进和空间约束对高阶统计特性的影响,以及不同维度下过冲峭度的变化规律。
2026-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Zon-Cohen singularity and negative inverse temperature in a trapped particle limit
研究了运动周期势面上的布朗粒子。我们专注于统计性质的工作所做的潜力和热量耗散的粒子。当势的周期和深度都很大时,利用边界层分析,我们计算了一个累积量母函数和一个有偏分布函数。其结果使我们能够理解Zon-Cohen奇点的扩展波动定理的观点罕见的轨迹,其特征在于负逆温度的偏置分布函数。
2012-06-22 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
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
Noise and ergodic properties of Brownian motion in an optical tweezer: looking at the crossover between Wiener and Ornstein-Uhlenbeck processes
我们的特点在整个光谱范围内的光阱的噪声在发挥作用的性质和各态历经特性的相应的布朗运动的过阻尼被困单微球,比较实验,分析和模拟数据。我们仔细分析噪声和遍历属性$(i)$使用Allan方差为特征的噪声和$(ii)$利用测试的遍历性在有限的时间内完成的实验。我们推导出这两个观测值在低频Ornstein-Uhlenbeck陷阱扩散制度和研究分析其演变的高频维纳自由扩散制度,在一个非常好的协议与模拟和实验结果。这导致揭示噪声和遍历光谱签名与这两个政权的独特功能。
2020-07-23 cond-mat.stat-mech physics.class-ph
Optimal work of Brownian motion in a harmonic time-dependent stiffness potential. Effect of the initial position
该系统由一个布朗粒子浸没在热浴中捕获在光镊作为外部协议与时间相关的强度。在《物理学评论》中,98:108301,2007]通过假设功必须在粒子的初始位置的分布上平均来彻底计算过阻尼状态中的最佳平均功。目前的研究假设,而不是朗之万方程的任何给定的初始位置和它的平均完成的噪声分布的解决方案。因此,这个建议在更广泛的意义上扩展了已经发表的结果,包括麦克斯韦恶魔的外观为特定的初始条件下,分析熵产生率和通过测量粒子位置获得的互信息。所提出的研究具有能够与数值模拟的数据进行比较的优点。
2023-02-02 cond-mat.stat-mech
Stationary superstatistics distributions of trapped run-and-tumble particles
我们提出了一个分析的运行和翻滚粒子被困在外部潜力的热泳势,出现时被困的主动运动被映射到被困被动布朗运动在一个虚构的不均匀的热浴的固定分布。我们详细说明的意义上的非玻尔兹曼-吉布斯平稳分布出现的结果,持续运动的活性粒子。这些平稳分布被解释为非平衡统计力学中的一类分布,称为超统计。我们的分析提供了一个原始的洞察力之间的联系的内在非平衡性质的主动运动和著名的概念,局部平衡用于非平衡统计力学,并有助于理解的有效温度的概念的有效性。特别感兴趣的情况下,关于特定的捕获潜力在其他理论或实验研究中使用,进行了讨论。我们指出,作为一个前所未有的效果,出现的新模式的固定分布的结果耦合的持续运动的捕获潜力,变化足够高的位置。
2019-01-31 cond-mat.stat-mech
Engineered Swift Equilibration for Brownian objects: from underdamped to overdamped dynamics
我们提出了一个一般的框架来研究转换驱动欠阻尼布朗粒子与热浴从一个平衡态在任意短的时间内到一个新的接触。为此,我们利用一个时间和空间相关的潜力,发挥双重作用:限制粒子,并操纵系统。在一个特殊的情况下,等温压缩或解压缩的谐波捕获粒子,我们推导出明确的协议,执行这种快速变换,逆向工程方法。我们专注于这些协议的属性,这在很大程度上取决于两个关键的无量纲的数字,其特征的相对值的三个时间尺度的问题,与摩擦,振荡的限制和持续时间的协议。特别是,我们表明,我们的协议包括已知的过阻尼版本的这个问题,并将其扩展到任何摩擦解压和压缩的摩擦大范围。
2018-04-18 cond-mat.stat-mech
Statistical mechanics of passive Brownian particles in a fluctuating harmonic trap
本文研究随机开关谐振子势阱中被动布朗粒子的非平衡稳态,通过三阶 Fokker-Planck 方程得到高斯叠加分布,并将其等价解释为淬火无序平衡系统。
2024-08-13 cond-mat.stat-mech
Drift without flux: Brownian walker with a space dependent diffusion coefficient
利用数字视频显微镜直接观察了微米级颗粒的空间扩散。粒子被困在两个几乎平行的壁之间,使它们的限制位置依赖。因此,我们不仅测量了取决于颗粒位置的扩散系数,而且还报告和解释了一种新的效应:在没有任何外力或浓度梯度的情况下,颗粒的个体位置在扩散系数梯度方向上的漂移。
2000-04-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian Vortexes
在静态但非保守力场中,一个粒子在一个稳定的力学平衡点周围扩散,进入一个以概率通量循环为特征的稳定状态。在这样一个布朗涡旋的环流是不是简单的决定性的响应螺线管组件的力量,而是反映了力驱动的概率流和扩散之间的相互作用。作为这类以前未被认识到的随机热机的一个例子,我们考虑稳定地捕获在传统光镊中的胶体球。粒子的布朗涨落不是与周围的热浴达到热力学平衡,而是偏向于一个环形的滚动。我们从理论上和实验上证明,在这种实际实现的布朗涡的环流可以进行通量反转。
2009-03-15 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
NMR signals within the generalized Langevin model for fractional Brownian motion
核磁共振方法属于研究不同系统(包括生物软组织)中粒子随机运动的最先进和常用工具。在长时间的限制,目前的数学描述的实验允许适当的解释正常和异常扩散的测量。然而,只有在少数作品中才正确地考虑了较短时间的动力学,这些作品没有超出标准的无记忆朗之万描述的布朗运动(BM)。在本工作中,在分数BM模型的框架下计算了磁场梯度中自旋轴承粒子系综的衰减函数S(t),该函数以适用于任何类型的自旋的有或没有记忆的静态随机动力学的形式表示。本文用极其简单的方法求得了囚禁在谐振势中的粒子模型的解,并用于计算S(t)。在自由粒子耦合到分形热浴的限制,结果与在人类神经元组织中获得的实验相比毫不逊色。通过引入一个简单的模型的广义扩散系数的粒子的陷阱的效果证明。
2018-03-05 cond-mat.stat-mech
Time correlations and persistence probability of a Brownian particle in a shear flow
本文给出了简单剪切流中自由布朗粒子和受简谐约束的布朗粒子的两次关联函数的结果。对于一个自由布朗粒子,沿剪切方向的运动表现出两种不同的动力学,与均方位移扩散在短期内,而在后期的时间尺度为$t^3$。相比之下,互相关$\la x(t) y(t) \ra $对于所有时间均二次缩放。在谐波捕获的布朗粒子的情况下,均方位移表现出由约束和剪切的强度确定的平台。此外,分析扩展到布朗粒子链通过谐波和弯曲势相互作用。最后,从两个时间的关联函数构造持续概率。
2012-09-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Tunable Brownian Vortex at the Interface
通过在液-气界面上施加一个非保守力场到一个被保守光阱力束缚的胶体粒子,证明了一种一般的布朗涡旋。当液体介质以恒定速度平移时,珠粒被捕获在界面处,表面附近的拖曳力提供足够的旋转分量以使颗粒的热波动偏向于循环运动。的热波动和平流的珠在构成的旋涡运动之间的相互作用进行了研究,推断的循环运动的角速度提供了一个比较措施的界面波动。
2011-03-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Parametric Resonance of Optically Trapped Aerosols
研究了光学捕获水滴从过阻尼振荡到欠阻尼振荡的布朗动力学。位置波动的频谱从典型的过阻尼系统(液体溶剂中的珠粒)的洛伦兹形状演变为示出共振峰的阻尼谐振子频谱。在这后一个欠阻尼制度,我们激发参数共振周期性调制的陷获功率的两倍的谐振频率。位置涨落的功率谱与参数调制朗之万方程的解析解非常吻合。
2007-02-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian motion: non-equilibrium states from equilibrium trajectories -- recovering hydrodynamic regimes from prepared displacement measurements
The University of Texas at Austin(德克萨斯大学奥斯汀分校);Università di Roma La Sapienza(罗马第一大学)
通过分析单个布朗轨迹的非平衡性质,揭示流体-粒子相互作用的微尺度细节,并连接到流体动力学,利用粒子位置的低阶矩确定短时间位移统计,验证了流体惯性效应的t^{5/2}定律,并指出在考虑随机力相关性时可能被t^4尺度取代。
2026-05-15 cond-mat.stat-mech
Short-time inertial response of viscoelastic fluids measured with Brownian motion and with active probes
我们已经直接观察到短时间的应力传播粘弹性流体中使用两个光学捕获的粒子和快速干涉粒子跟踪技术。我们通过记录粒子热运动中的相关性和测量一个粒子对第二个活跃振荡粒子的响应来做到这一点。这两种方法都检测与流体中的应力传播相关的涡旋状流型。这种惯性涡流扩散传播简单的液体,而粘弹性的解决方案的图案传播超扩散,取决于介质的剪切模量。
2008-02-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Direct measurement of shear-induced cross-correlations of Brownian motion
本文从实验和理论上研究了剪切引起的垂直于流线和沿流线的粒子涨落的互相关。直接测量的布朗运动的微米大小的珠子,举行的光镊在剪切流动池,显示出强烈的时间不对称性的互相关,这是由非正常放大的波动。对单粒子概率分布的补充测量证实了这一行为,这两个结果都与朗之万模型一致。此外,检测到两个被困和流体动力学相互作用的粒子的正交随机位移之间的剪切引起的反相关性,具有一个或两个极值的时间,这取决于粒子的位置。
2009-12-07 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
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
Nonequilibrium dynamics induced by scattering forces for optically trapped nanoparticles in strongly inertial regimes
作为第一近似,作用在光学捕获粒子上的力通常被假设为保守的。在过阻尼液体环境中,非保守力的影响可以忽略不计。然而,其在欠阻尼状态下的影响仍未得到研究。在这里,我们实验研究的梯度和散射力的非线性动力学的被困粒子在各种气压的综合影响,导致显着的低频噪声过剩沿光轴和环形布朗涡旋的出现。我们的研究结果支持,通过数值模拟和理论模型,提供了基本的见解光镊的功能和调查非平衡稳态的存在下,非保守力的手段。
2019-04-09 cond-mat.stat-mech physics.optics
Interplay between timescales governs the residual activity of a harmonically bound active Brownian particle
Indian Institute of Technology Kanpur(坎普尔印度理工学院)
该研究通过实验、模拟和解析计算,揭示谐势束缚活性布朗粒子的稳态分布交叉由persistence时间与平衡时间的比值决定,而非推进速度,明确了时间尺度相互作用对其剩余活性的调控机制。
2026-08-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Aging in the transport on the corrugated ratchet potential
在快速过冷下,玻璃形成液体冻结在无定形状态,只能在非常长的时间尺度上平衡,这是老化的特征标志,这在广泛的系统中已经观察到。布朗棘轮是一个被广泛研究的系统,表现出许多类型的反常动力学行为。本文研究了布朗粒子在周期性棘齿势中的集体运动中发生老化的可能性,其中有淬火无序。我们发现,当一个缓慢增长的部分粒子被困了很长一段时间,集体运动往往成为超扩散。超扩散输运弱地打破了遍历性,并且覆盖整个相空间的时间变得非常长,并使人联想到老化行为。
2022-12-06 cond-mat.stat-mech
Nonergodic Subdiffusion from Brownian Motion in an Inhomogeneous Medium
在单粒子追踪实验中观察到的非遍历性通常是由瞬态捕获而不是空间无序来模拟的。我们介绍了模型的粒子扩散在介质中的随机大小和随机扩散率的区域组成。粒子永远不会被捕获,而是执行具有局部扩散常数的连续布朗运动。在简单的尺寸和扩散率分布的假设下,我们发现均方位移显示亚扩散由于退火和淬火无序的非遍历性。该模型被公式化为在时间和空间上连续的行走,类似于Lévy行走。
2014-09-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Persistence of an active asymmetric rigid Brownian particle in two dimensions
本文研究了二维形状不对称活性布朗粒子的持久概率,解析推导了自由与谐振势阱束缚下推进速度对持久概率的影响,并通过Langevin动力学模拟验证了该方法可区分活性与被动各向异性粒子。
2022-08-19 cond-mat.stat-mech
First-passage time distribution of a Brownian particle harmonically confined in a viscoelastic bath
Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México(墨西哥国立自治大学物理研究所)
利用广义朗之万方程推导了谐波约束布朗粒子在粘弹性浴中首通时间概率密度的一般表达式,并通过光学陷阱实验在粘弹性聚合物、胶束溶液及粘性介质中验证了理论,发现粘弹性浴中平均首通时间可超过相同零剪切粘度的粘性介质。
2026-05-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Engineered swift equilibration of a Brownian particle
任何设备或自然系统的基本和内在属性是其弛豫时间relax,这是在控制参数突然变化后恢复平衡所需的时间[1]。减少$tau$松弛通常是必要的,并且通常通过复杂的反馈过程来实现。为了克服这种方法的局限性,最近已经证明了基于驱动的替代方法[2,3],用于孤立的量子和经典系统[4- 9]。它们扩展到与恒温器接触的开放系统是应用的绊脚石。在这里,我们设计了一个协议,名为工程快速平衡(ESE),缩短耗时的松弛,我们将其应用到一个布朗粒子被困在一个光学势,其属性可以控制的时间。我们实施的过程中的实验,表明它允许系统达到平衡的时间比自然的平衡速率更快。我们还估计了获得这样的时间减少所需的耗散能量的增加。该方法为微米和纳米器件的应用铺平了道路,其中操作时间的减少与小型化一样具有实质性挑战[10]。平衡和从一种平衡态到另一种平衡态的转变的概念是热力学的基石。教科书上的例子是气体的膨胀,从平衡开始,在一个更大的容器中膨胀达到新的平衡。该操作可以通过活塞非常缓慢地执行,而不会将能量耗散到环境中,或者快速地执行,让活塞自由移动以达到新的体积。
2016-09-07 cond-mat.stat-mech
Brownian oscillators driven by correlated noise in a moving trap
研究了布朗振子,即处于热涨落环境中的微米级或更小的粒子。约束简谐势可以以恒定速度运动。与标准朗之万理论不同的是,驱动粒子的混沌力在时间上是相关的。粒子的动力学描述的广义朗之万方程的惯性项,色噪声力,和记忆积分。我们考虑系统中的两种存储器。第一个对应于弱粘弹性流体中的指数相关噪声,在第二种情况下,记忆自然出现在Navier-Stokes流体动力学中。在这两种情况下,使用一个简单而有效的方法得到了精确的解析解,迄今为止,在这类问题中没有应用。
2012-02-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stochastic Path Integral for the Active Brownian Particle in a Harmonic Potential
本研究提出适用于简谐势中活性布朗粒子的随机路径积分方法,可推导含时矩解析表达式与位置概率分布级数展开,相比本征函数展开法更易推广,并验证了其处理带活性力矩体系的通用性。
2025-09-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Effective Temperature in a Colloidal Glass
研究了溶胶-凝胶转变过程中,光镊捕获的Laponite胶态玻璃中粒子的布朗运动。我们使用了两种基于被动流变学的方法从布朗粒子的涨落中提取有效温度。在实验误差范围内,它们都给出了一个等于热浴温度的温度。在跃迁过程中观察到了一些有趣的粒子统计特性和长时间关联的特征。
2008-08-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Efficiency at maximum power and efficiency fluctuations in a linear Brownian heat engine model
研究了两粒子Langevin系统的随机热力学。每个颗粒分别与不同温度$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$处取最小值,并单调增加,直到达到平台。对于具有有限个微观构型的热机,在时间对称条件下,达到卡诺效率的概率是最小的。结果表明,卡诺效率的最小似然性不是热机的一般性质。
2016-03-24 cond-mat.stat-mech
Overdamped dynamics of a Brownian particle levitated in a Paul trap
研究了悬浮在Paul阱中的布朗粒子的质心动力学。我们专注于过阻尼制度的上下文中的levitodynamics,比较理论与我们的数值模拟和实验数据从一个纳米粒子在保罗陷阱。我们提供了一个精确的解析解的随机运动方程,运动的标准偏差的表达式,和热化时间使用WKB方法在两个不同的限制。最后,我们证明了运动的功率谱密度可以近似为一个Ornstein-Uhlenbeck过程,并使用找到的表达式来校准一个被困粒子的运动。
2020-04-16 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Analytic Solution of an Active Brownian Particle in a Harmonic Well
本文给出了囚禁在各向同性谐振势中的二维布朗粒子的含时Fokker-Planck方程的解析解。使用被动布朗粒子作为基态,我们表明,福克-普朗克算子成为下对角,这意味着本征值不受活动。然后,传播子表示为平衡本征态的组合,权重服从精确的迭代关系。我们表明,对于低阶关联函数,如位置自相关函数,递归终止于有限阶的Péclet数,使我们能够生成精确的紧凑的表达式,并推导出速度自相关函数和随时间变化的扩散系数。后者的量的非单调行为作为非平衡动力学的指纹。
2022-10-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech math-ph
Exact moments for trapped active particles: inertial impact on steady-state properties and re-entrance
本研究针对d维谐振势阱中的惯性活性布朗粒子,通过拉普拉斯变换结合Fokker-Planck方程得到位置与速度矩的精确演化,揭示了惯性与势阱强度对稳态性质的影响及重入现象。
2024-04-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Persistence in Brownian motion of an ellipsoidal particle in two dimensions
本文研究了具有二维形状不对称性的布朗粒子位置的持续概率$p(t)$。持续性概率定义为随机变量在给定的时间间隔内不改变其符号的概率。我们明确地考虑两种情况--自由粒子的扩散和谐波捕获粒子的扩散。后者在使用捕获和跟踪技术来测量位移的实验中特别相关。我们提供了解析表达式的$p(t)$的情况下,并表明,在形状不对称的情况下,结果减少到各向同性颗粒的情况下。$p(t)$的解析表达式进一步验证了对数值模拟的基础过阻尼动力学。我们还说明,$p(t)$可以是一个措施,以确定胶体的形状不对称性和平移和旋转扩散率可以估计从测量的持久性概率。这种方法的优点是它不需要跟踪粒子的取向。
2020-02-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Irreversibility in active matter systems: Fluctuation theorem and mutual information
我们考虑一个布朗粒子,除了与热浴接触外,还受到系统中活跃过程的波动力的驱动,例如自推进或与其他活跃粒子的碰撞。这些活跃的涨落不满足涨落-耗散关系,因此起着非平衡环境的作用,即使在没有外力的情况下,也会使系统永久地处于热平衡之外。我们研究了如何在布朗粒子的轨迹中反映出活性物质系统的非平衡特性和相关的不可逆性。具体来说,我们分析的对数比的路径概率观察到一定的粒子轨迹向前的时间与观察其时间反转的孪生轨迹。对于被动布朗运动,众所周知,这个路径概率比量化了熵产生方面的不可逆性。对于积极的布朗运动,我们表明,除了通常的熵产生的热环境中的路径概率比包含一个贡献的不可逆性从相互信息生产之间的粒子轨迹和历史的非平衡环境。由此产生的不可逆性措施满足积分涨落定理和第二定律的关系。在推导和讨论这些关系时,我们要记住,主动涨落可能是由于悬浮的主动粒子推动被动胶体或由于粒子本身的主动自推进而发生的;我们指出了这两种情况之间的相似性和差异。我们得到明确的表达式为模型的主动波动的Ornstein-Uhlenbeck过程。最后,我们通过分析一个布朗粒子,这是被困在一个静态或运动的谐波势说明我们的一般结果。
2019-02-23 cond-mat.stat-mech
A Brownian cyclic engine operating in a viscoelastic active suspension
我们研究了一个模型的斯特林发动机组成的被动布朗粒子的谐波势和相互作用的主动布朗粒子的悬浮液,自推进在粘性溶剂中,循环运行在等温条件下通过时间变化的陷阱刚度和主动粒子的自推进速度。我们推导出一个有效的随机运动运动方程的被困布朗粒子,其中包括摩擦记忆内核,以及热和主动波动力,由于其耦合与主动悬架,我们分析计算的效率的发动机在准静态极限。我们发现,平均而言,发动机能够产生机械功,其效率取决于系统的不同时间尺度之间的相互作用,其中,与具有瞬时摩擦的系统的情况相比,随后的主动悬架的粘弹性的一般效果是降低布朗发动机的准静态效率。然而,在系统的参数空间中存在这样的记忆效应在发动机的性能中可忽略的区域,因此有效地表现为与在与活性颗粒的推进速度相关的两个不同温度下工作的惰性粘性浴接触。
2022-11-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stochastic energetics of a colloidal particle trapped in a viscoelastic bath
本文研究粘弹性浴中过阻尼布朗粒子的能量交换统计,推导了能量概率密度函数的解析表达式,并通过光学捕获实验验证了理论结果。
2023-09-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stochastic thermodynamics of nonharmonic oscillators in high vacuum
本文研究了在欠阻尼极限下含时单阱势中经典小粒子的随机热力学。它示出的非平衡态概率密度函数的系统的能量是一个麦克斯韦-玻尔兹曼分布(在平衡)与封闭形式的时间依赖的有效温度和分数自由度。我们还发现,可解模型满足Crooks波动定理,因为它是预期的。此外,我们计算在这个等温过程中的平均工作,并解析表征最小工作的最佳协议。最佳方案提出了一个初始和最终的跳跃,对应于绝热过程的光滑指数依赖于时间的部分连接的所有类型的单阱势。此外,我们认为,这一结果连接两个不同的相关实验设置被困的纳米粒子:在谐波陷阱中的悬浮粒子,和在一个盒子中的自由粒子;因为它们是一般的单阱势的限制情况下,并显示时间依赖的最佳协议。最后,我们强调我们的系统和布朗粒子的气体的等效模型之间的连接。
2019-06-17 cond-mat.stat-mech
First passage under stochastic resetting in an interval
考虑布朗粒子在一维区间内扩散,且端点具有吸收性。我们研究的后果时,这种运动被中断,并从相同的初始配置重新启动。我们提供了一个全面的研究,这种捕获现象的第一通道特性。我们计算的平均首次通过时间,并推导出标准后,重新启动总是加快基本完成。我们展示了这种设置是如何表现出一个成功失败的问题。我们得到了成功率和失败率,并将它们与分裂概率联系起来,即粒子最终被困在任何一个边界上而不撞到另一个边界的概率。数值研究支持我们的分析结果。
2019-03-29 cond-mat.stat-mech
Does the second law of thermodynamics really hold good without exception?
自然环境中的许多热驱动过程以及卡诺型机械的工程解决方案的主要部分是基于热力学第二定律(或熵增加原理)。宏观上可观察到的系综量(状态变量)与其单个组分(如液体中的分子)的热速度之间的有趣联系是由悬浮的较大颗粒的布朗运动提供的。我们假设一个“挫折布朗运动“,如果这些粒子得到部分被困在适当的几何条件的环境中发生。这就消耗了伴随着布朗运动的一小部分动能,并将其沉积在陷阱内,因此这本身就构成了一种将热能从冷转移到热的机制。我们注意到,这只是一个勉强承认的,由热力学准平衡驱动的缓慢演变的效应,因此在每单位时间可达到的能量密度方面效率有限。然而,一个简单的实验表明,这一过程确实是允许发生的,并且设想的应用是直接的。
2010-09-27 cond-mat.stat-mech physics.gen-ph
First-passage area distribution and optimal fluctuations of fractional Brownian motion
研究分数布朗运动首达面积的概率分布,推导出精确标度关系,确定其大A尾部为肥尾且均值发散,并通过蒙特卡洛模拟验证了大小尾部及最优路径。
2024-01-05 cond-mat.stat-mech math.PR
First Exit Times of Harmonically Trapped Particles: A Didactic Review
本文教学性地综述了谐振子束缚粒子(奥恩斯坦-乌伦贝克过程)的首次逃逸时间,推导了平均逃逸时间、矩生成函数和生存概率的合流超几何函数表达式,并介绍了快速收敛级数及多个应用场景。
2025-06-22 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Universality in escape from a modulated potential well
我们发现,从一个周期性调制的电位激活逃逸率$W$显示缩放行为与调制幅度$A$。对于光学捕获的布朗粒子的绝热调制,测量产生$\ln W\propto (A_{\rm c} - A)^μ$与$μ= 1.5$。该理论给出了绝热极限下的$μ=3/2$,并预测了当$A$接近亚稳态消失的分叉点时,到$μ=2$标度的交叉。
2002-04-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Activated escape of periodically driven systems
讨论了在周期力作用下系统从亚稳态的激活逃逸。我们表明,即使是一个相对较弱的力,逃逸概率可以改变非常强烈。在较宽的参数范围内,逃逸激活能与力的幅值呈线性关系。这种依赖性描述的对数磁化率,这是理论分析,并通过模拟和数字仿真。给出了过阻尼布朗粒子逃逸率的一个封闭形式的显式表达式,并与模拟结果定量吻合。我们还描述了一个布朗粒子光学双阱势捕获的实验。光强度的适当的周期性调制打破了否则空间对称系统的时空对称性。这使我们能够将粒子定位在其中一个对称阱中。
2001-09-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Fluctuation-induced drift in a gravitationally tilted optical lattice
实验和理论研究的布朗粒子被困在一个周期性的潜力,这是非常轻微的倾斜,由于重力。在存在波动的情况下,这些将触发沿倾斜方向的可测量的平均漂移。漂移的大小随偏置力和捕获电势之间的比率而变化。这可以与基于福克-普朗克方程形式的理论模型系统进行比较。我们表明,我们在我们的系统,这是基于冷原子被困在一个三维耗散光晶格的控制和测量精度的水平,使实验装置适合作为基础统计物理的测试平台。我们用一个非常简化和一般的经典模型,以及一个精心制作的半经典蒙特卡罗模拟模拟系统。在这两种情况下,我们实现了良好的定性与实验数据的一致性。
2010-08-26 cond-mat.stat-mech physics.atom-ph
Winding angle distribution of 2D random walks with traps
我们研究分析的平均概率P(n,t)的渐近行为的一个2D布朗粒子的轨迹游荡在随机分布的陷阱的存在下,在一个时间t后绕一个给定的点缠绕n次。证明了P(n,t)\sim \exp(-c \sqrt{t})(1+x^2)^{-1},其中xPDMATHABMM n/ \sqrt{t},其中第一个指数表示粒子不被捕获概率的一个众所周知的长时间尾部.
1998-09-29 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech
Path-integral formalism for stochastic resetting: Exactly solved examples and shortcuts to confinement
研究了过阻尼布朗粒子在保守力场中扩散并随机复位到给定位置的动力学行为。我们提出了一个系统的方法,涉及路径积分和更新理论的元素,允许推导出各种统计的动力学,如(i)传播子之前,第一次复位的时间分布,(iii)在很长的时间粒子的空间分布的解析表达式。我们将我们的方法应用到几个代表性的和迄今为止未探索的例子重置动态。一个特别有趣的例子,我们发现的分析表达式的统计复位是,布朗粒子被困在一个谐波潜在的复位率取决于粒子的瞬时能量。我们发现,使用能量相关的重置过程是更有效地实现布朗粒子在更快的时间尺度上的空间限制比通过执行淬火的参数的谐波势。
2017-07-26 cond-mat.stat-mech nlin.AO quant-ph
Nonequilibrium steady state of trapped active particles
该研究针对被外势约束的过阻尼活性粒子,在活性噪声关联时间极小的极限下,推导了其非平衡稳态分布的尾部标度形式,精确求得一维任意势场下的大偏差函数并推广到高维旋转对称情形。
2023-08-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech