Brownowskie motory

ratchet acOdkryte ponad 100 lat temu ruchy Browna dały początek dzisiejszym badaniom nad dynamiką cząstek w asymetrycznych potencjałach, zwanymi poprzez analogię Brownowskimi motorami. Stochastyczne równania różniczkowe opisujące ewolucję czasową takich obiektów pozwalają przewidywać zachowania tak różnych układów fizycznych jak motory molekularne, biologiczne, zimne ad-atomy czy złącza Josephsona. Pomimo 20 lat badań układy te wciąż potrafią zaskakiwać naukowców, pozwalając odkrywać nowe, nieznane własności.

 

Brownowskie motory to układy dynamiczne będące w stanie zamieniać równowagowy szum termiczny na użyteczną pracę. Owa praca może być rozumiana jako przetransportowanie białka wewnątrz komórki, wytworzenie różnicy potencjału złącza czy przejście pomiędzy dwoma termodynamicznie stabilnymi stanami cząsteczki. Aby wykorzystać wydawałoby się bezużyteczną równowagową energię pochodzącą od termicznego szumu należy dodatkowo złamać symetrię ukrytą w układzie. Wiąże się to z zasadą Curie. Możemy np: dodatkowo napędzać badany układ asymetrycznym sygnałem (deterministycznym bądź losowym), możemy postarać się wygenerować asymetryczny potencjał efektywnie odczuwany przez cząsteczkę bądź też złamać symetrię szumu termicznego. Układy o złamanej symetrii znane są w literaturze jako układami zębatkowo - zapadkowymi lub krótko raczetami (z ang. ratchet). 

 

W Zakładzie Fizyki Teoretycznej zajmujemy się teoretycznym opisem transportu w tak zdefiniowanych układach. Bazując na równaniach Langevina bądź też odpowiadających im równaniach Fokkera-Plancka badamy wpływ parametrów układu na własności transportowe, takie jak wartość oczekiwana prędkości, jej odchylenie standardowe, sprawność silnika czy efektywna dyfuzja opisująca jakość transportu. Badamy również warunki w jakich w układzie występuje transport anomalny wykazujący ujemną mobilność (przewodność), warunki dla optymalnego transportu, wpływ efektów inercyjnych, tarcia, temperatury otoczenia, korelacji szumu czy efektów kwantowych.

 


Publikacje
  1. L. Machura i J. Łuczka, Transport driven by biharmonic forces: Impact of correlated thermal noise, Phys. Rev. E, 82, 031133 (2010).
  2. L. Machura, M. Kostur and J. Łuczka, Inertial Brownian motors driven by biharmonic signals. Chem. Phys. 373 (2010)
  3. L. Machura, M. Kostur, P. Talkner, P. Hanggi and J. Łuczka, Negative conductances of Josephson junctions: Voltage fluctuations and energetics, Physica E 42, 590-594 (2010)
  4. M. Kostur, J. Łuczka, and P. Hanggi, Negative Mobility induced by Colored Thermal Fluctuations, Phys. Rev. E 80, 051121 (20
  5. L. Machura, M. Kostur and J. Łuczka, Transport characteristics of molecular motors, BioSystems 94, 253-257(2008)
  6. M. Kostur, L. Machura, J. Łuczka, P. Talkner, P. Hanggi, Negative conductance in driven Josephson junctions, Acta Phys. Polon. B 39, 1177-1186 (2008)
  7. M. Kostur, L. Machura, P. Talkner, P. Hanggi, J. Łuczka, Anomalous transport in biased ac-driven Josephson junctions: Negative conductances, Phys. Rev. B 77, 104509 (2008)
  8. L. Machura, M. Kostur, P. Talkner, P. Hanggi and J. Łuczka, Frequency windows of absolute negative conductance in Josephson junction, in "Noise and Fluctuations" (Eds M. Tacano, Y. Yamamoto, M. Nakao), AIP Conf. Proc. 922, 455-458 (200
  9. L. Machura, J. Łuczka, P. Talkner and P. Hanggi, Transport of Forced Quantum Motors in the Strong Friction Limit, Acta Phys. Polon. B 38, 1855-1863 (2007)
  10. L. Machura, M. Kostur, P. Talkner, J. Łuczka and P. Hanggi, Absolute negative mobility induced by thermal equilibrium fluctuations, Phys. Rev. Lett. 98, 40601 (2007)
  11. L. Machura, M. Kostur, F. Marchesoni, P. Talkner, P. Hanggi and J. Łuczka, Addendum and Erratum: Optimal strategy for controlling transport in inertial Brownian motors, J. Phys.: Condens. Matter 18, 4111-4112 (2006
  12. M. Kostur, L. Machura, P. Hanggi, J. Łuczka and P. Talkner, Forcing inertial Brownian motors: efficiency and negative differential mobility, Physica A 371, 20-24 (2006)
  13. L. Machura, M. Kostur, P. Talkner, J. Łuczka and P. Hanggi, Quantum diffusion in biased washboard potentials: Strong friction limit, Phys. Rev. E 73, 031105 (2006)
  14. L. Machura, M. Kostur, F. Marchesoni, P. Talkner, P. Hanggi and J. Łuczka, Optimal strategy for controlling transport in inertial Brownian motors, J. Phys.: Condens. Matter 17, S3741-S3752 (2005)
  15. J. Łuczka, R. Rudnicki and P. Hanggi, The diffusion in the quantum Smoluchowski equation, Physica A 350, 60-68 (2005)
  16. L. Machura, M. Kostur, P. Talkner, J. Łuczka, F. Marchesoni and P. Hanggi, Brownian motors: current fluctuations and rectification efficiency, Phys. Rev. E 70, 061105 (2004)
  17. L. Machura, M. Kostur, O. Hanggi, P. Talkner and J. Łuczka, Consistent description of quantum Brownian motors operating at strong friction, Phys. Rev. 70, 031107 (2004)
  18. J. Łuczka and B. Zaborek, Brownian motion: a case of temperature fluctuations, Acta Phys. Polon. B 35, 2151-2164 (2004)
  19. J. Łuczka and M. Kostur, Noise in Brownian motors, in Noise and Fluctuations, Proceedings of the 17th ICNF, J. Sikula, ed. p. 485-491 (2003)
  20. M. Kostur, G. Knapczyk, J. Łuczka, Optimal transport and phase transition in dichotomic ratchets, Physica A 325, 69-77 (2003)
  21. M. Kostur, J. Łuczka and L. Schimansky-Geier, Nonequilibrium coupled Brownian phase oscillators, Phys. Rev. E. 65, 051115 (2002)
  22. Jing-hui Li, J. Łuczka and P. Hanggi, Transport of Particles for a Spatially Periodic Stochastic System with Correlated Noises, Phys. Rev. E 64, 011113 (2001)
  23. M. Kostur and J. Łuczka, Multiple Current Reversal in Brownian Ratchets, Phys. Rev. E 63, 021101 (2001)
  24. T. Czernik, M. Niemiec and J. Łuczka, Brownian Motors Driven by Poissonian Fluctuations, Acta Phys. Polon. B 32, 321-331 (2001)
  25. T. Czernik and J. Łuczka, Rectified Steady Flow Induced by White Shot Noise: Diffusive and Non-diffusive Regimes, Ann. Phys. (Leipzig) 9, 721-734 (2000)
  26. J. Łuczka, P. Talkner and P. Hanggi, Diffusion of Brownian Particles Governed by Fluctuating Friction, Physica A 278, 18-31 (2000)
  27. P. Talkner and J. Łuczka, Brownian Motion in a d-Dimensional Space with Fluctuating Friction, in Lecture Notes in Physics 557, 85-96 (2000)
  28. M. Kostur and J. Łuczka, Barrier Crossing and Transport Activated by Kangaroo Fluctuations, Acta Phys. Polon. B 30, 27-43 (1999)
  29. J. Łuczka, Application of Statistical Mechanics to Stochastic Transport, Physica A 274, 200-215 (1999)
  30. J. Kula, T. Czernik and J. Łuczka, Brownian Ratchets: Transport Controlled by Thermal Noise, Phys. Rev. Lett. 80, 1377-1380 (
  31. J. Kula, M. Kostur and J. Łuczka, Brownian Transport Controlled by Dichotomous and Thermal Fluctuations, Chem. Phys. 235, 27-43 (1998
  32. R. Rozenfeld, J. Łuczka and P. Talkner, Brownian Motion in a Fluctuating Medium, Phys. Lett. A 249, 409-414 (199
  33. T. Czernik, J. Kula, J. Łuczka and P. Hanggi, Thermal Ratchets Driven by Poissonian White Shot Noise, Phys. Rev. E. 55, 4057-4066 (1997)
  34. J. Łuczka, P. Hanggi and T. Czernik, What Minimal Noise is Necessary for Generation of Transport in Periodic Structures?, in Unsolved Problems of Noise, eds Ch. Doering, L. Kiss and M. Schlesinger (World Scientific, Singapore), 234-237 (1997)
  35. J. Łuczka, T. Czernik and P. Hanggi, Symmetric White Noise Can Induce Directed Current in Ratchets, Phys. Rev. E 56, 3968-3975 (1997)
  36. M. Kostur and J. Łuczka, Transport in Ratchet-Type Systems, Acta Phys. Polon. B 27, 663-675 (1996)
  37. J. Kula, T. Czernik and J. Łuczka, Transport Generated by Dichotomous Fluctuations, Phys. Lett. A 214, 14-20 (1996)
  38. P. Hanggi, R. Bartussek, P. Talkner and J. Łuczka, Noise-Induced Transport in Symmetric Periodic Potentials: White Shot Noise versus Deterministic Noise, Europhys. Lett. 35, 315-317 (1996)
  39. J. Łuczka, Ratchets, Molecular Motors and Noise-Induced Transport, Cell. Mol. Biol. Lett. 1, 311-324 (1996 )
  40. J. Łuczka, R. Bartussek and P. Hanggi, White Noise Induced Transport in Periodic Structures, Europhys. Lett. 31, 431-436 (1995)