带反馈的分数阶耦合布朗马达的定向输运

研究具有幂律记忆性的带反馈耦合布朗马达的定向输运现象, 引入分数阶理论, 建立了带反馈的分数阶耦合布朗马达模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 仿真结果表明, 系统的记忆性通过影响带反馈的棘齿势的打开和闭合而影响粒子的定向输运, 即当系统的阶数在较小的范围内, 系统的记忆性会使带反馈的棘齿势的开关频率增加, 从而增大定向流速; 当系统其他参数(势垒高度、噪声强度等)固定时, 输运速度随着阶数的变化出现广义随机共振现象.     

分数阶双头分子马达的欠扩散输运现象

研究具有幂律记忆性的细胞液中双头分子马达的定向输运现象,选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,建立了分数阶过阻尼耦合Brown马达模型,讨论了阶数及耦合系数对双头分子马达定向输运速度的影响. 仿真结果表明,分数阶过阻尼双头分子马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流. 当噪声强度固定时,输运速度随着阶数以及耦合系数的变化均会出现广义随机共振现象. 特别地,研究发现双头分子马达在记忆闪烁棘轮势中具有某些单头分子马达所不具备的运动特性,定向流的大小和方向由噪声与双头间作用力相互耦合控制. 关键词： 分数阶双头分子马达 欠扩散 定向输运 广义随机共振     

分数阶非对称耦合系统在对称周期势中的定向输运

在没有外力且周期势对称的情况下,对非对称耦合粒子链的运动,以具备更强刻画能力的分数阶微积分理论建立了分数阶模型,对其定向输运现象进行针对性研究,采用分数阶差分法进行数值求解并分析系统参数对定向输运速度的影响.相应仿真表明,分数阶非对称耦合系统在没有外力和噪声驱动的情况下仍能产生定向输运,且输运速度随阶数的增大而增大;当阶数固定时,粒子链平均速度随耦合强度和势垒高度非单调变化;当系统存在噪声时,粒子链平均速度出现了广义随机共振现象,且通过调节其他参数,可使得系统对噪声免疫甚至使噪声促进定向输运.     

分数阶Brown马达及其定向输运现象

选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,采用闪烁棘轮势,建立了过阻尼分数阶Brown马达模型.结合分数阶微积分的记忆性,分析了粒子在过阻尼分数阶Brown马达作用下的运动特性.研究发现,较之整数阶情形,过阻尼分数阶Brown马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流.此外,还讨论了阶数和噪声强度对系统输运速度的影响,发现当阶数固定时,其平均输运速度会随噪声变化出现随机共振;当噪声强度固定时,其输运速度会随阶数变化而振荡,即出现多峰的广义随机共振现象.     

时间非对称外力驱动分数阶布朗马达的定向输运

本文研究了周期对称势中时间非对称外力驱动的布朗粒子输运现象, 建立了分数阶布朗马达输运模型. 其中外力是零均值的, 而分数阶阶数则刻画了客观环境的非均匀性程度. 通过将模型离散化进行数值模拟, 讨论了分数阶阶数、系统参量和外部参量与定向流之间的依赖关系. 研究表明, 即使没有倾斜势场的作用, 时间非对称外力也可以诱导系统产生定向输运; 输运速度随分数阶阶数的增大而单调递增; 当阶数固定时, 系统的输运速度会随着势垒高度、噪声强度非单调变化, 表现出广义随机共振现象. 分析指出, 分数阶郎之万方程所刻画的输运现象是在整数阶模型基础上的一个推广, 进而为输运现象提供了一个可能更为真实的模型.     

耦合分数阶布朗马达在非对称势中的输运

讨论了分数阶Frenkel-Kontorova模型的物理意义, 并应用该模型刻画了耦合粒子链在记忆性介质中的输运现象, 研究了各参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真结果表明: 系统的记忆性对粒子链的运动有显著影响, 尤其出现了在非记忆性情况下所不具有的反向流. 同时发现粒子链的平均流速会随耦合强度、分数阶的阶数变化而产生广义共振; 此外, 平均流速还会随噪声强度的变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶Frenkel-Kontorova模型 记忆性介质 随机共振 定向输运反向流     

非对称耦合粒子链在棘齿势中的确定性定向输运

针对不受外力和噪声驱动的非对称耦合粒子链在棘齿势中的运动, 建立了相应的数学模型, 并对其确定性定向输运现象进行研究. 仿真结果表明: 在粒子间的非对称耦合和具有空间反演非对称的棘齿势的共同作用下, 粒子链能够产生定向输运现象, 并在适当参数条件下还能形成反向定向流; 粒子链平均速度关于耦合系数、势垒高度、弹簧自由长度等系统参数分别都存在广义共振现象, 即存在最佳参数使得定向输运速度达到最大; 在其他参数固定的情况下, 粒子链平均速度关于弹簧自由长度变化的曲线具有近似反对称的特点, 并存在广义多峰共振现象.     

系统非对称性及记忆性对布朗马达输运行为的影响

在对分数阶布朗马达输运现象研究的基础上,引入了描述系统势场对称性的参数(简称对称性参数),并详细分析了该参数及记忆性参数(分数阶阶数)对粒子输运状态的影响.仿真结果表明,分数阶阶数和对称性参数的共同作用会使得布朗粒子形成定向输运反向流,反向后达到最大平均流速所对应的阶数与外加驱动力频率无关联,但会随对称性参数的增加而单调递增.     

双频驱动下分数阶过阻尼马达在空间对称势中的定向输运

从阻尼对历史加速度记忆的角度出发,对阶数p∈(0,2)的分数阶阻尼物理意义给出了统一的合理解释,具体分析了不同阶数下的阻尼记忆特性,在此基础上研究了空间对称势中分数阶单分子马达在无偏置双频简谐激励下的输运问题,通过数值方法分析了输运速度与模型各参数的关系以及分数阶阻尼对输运现象的影响机理.研究表明,在不同阶数下历史加速度对当前时刻阻尼力的贡献与距当前时刻的时间长度呈单增或单减关系;在适当参数下输运速度随空间势深和外力频率的增大均会出现广义共振现象,特别地,在存在输运且阻尼阶数较大的情况下输运速度随势深增大出现阶梯状变化而与外力频率呈正比例关系;输运速度及方向对外力波形十分敏感,在不同外力下阻尼力的记忆性会分别促进或阻碍粒子跃迁,甚至引发与整数阶方向相反的定向流.     

二维耦合定向输运模型研究

建立了外部驱动力及噪声作用下的二维耦合定向输运模型, 其中的一个维度上为周期性分段棘齿势, 另一垂直维度上为周期性对称非棘齿势, 外部驱动力及噪声加在周期对称非棘齿势方向上, 而棘齿势方向不加任何驱动, 采用非平衡统计及非线性动力学理论研究了过阻尼情况下耦合系统在两个维度上的输运性质. 结果显示, 棘齿势与非棘齿势方向均可产生定向输运, 其中棘齿势方向的系统平均速度对耦合强度、噪声强度、驱动力强度及粒子数目均有明显的依赖性, 合适的耦合强度、噪声强度、驱动力强度或粒子数目下均可产生最大输运速度. 而非棘齿势方向的系统平均速度受非棘齿势势垒高度影响显著, 但随耦合强度、驱动力强度、驱动力初相位差及粒子数目的变化均出现波动现象, 表现出平均速度对这些参量的依赖性较弱.     

Collective Transport of Coupled Brownian Motors with Low Randomness

The transport properties of coupled Brownian motors in rocking ratchet are investigated via solving Langevin equation. By means of velocity, diffusion coefficient, and their ratio （Peclet number）, different features from a single particle have been found. In the regime of low-to-moderate D, the average velocity of elastically coupled Brownian motors is larger than that of a single Brownian particles; the Peclet number of elastically coupled Brownian motors is peaked functions of intensity of noise D but the Peclet number of a single Brownian motor decreases monotonously with the increase of a single Brownian motor. The results exhibit an interesting cooperative behavior between coupled particles subjected to a rocking force, which can generate directed transport with low randomness or high transport coherence in symmetrical periodic potential.     

Directed transport of coupled Brownian ratchets with time-delayed feedback

A time-delayed feedback ratchet consisting of two Brownian particles interacting through the elastic spring is consid ered. The model describes the directed transport of coupled Brownian particles in an asymmetric two-well ratchet potential which can be calculated theoretically and implemented experimentally. We explore how the centre-of-mass velocity is af fected by the time delay, natural length of the spring, amplitude strength, angular frequency, external force, and the structure of the potential. It is found that the enhancement of the current can be obtained by varying the coupling strength of the delayed feedback system. When the thermal fluctuation and the harmonic potential match appropriately, directed current evolves periodically with the natural length of the spring and can achieve a higher transport coherence. Moreover, the external force and the amplitude strength can enhance the directed transport of coupled Brownian particles under certain conditions. It is expected that the polymer of large biological molecules may demonstrate a variety of novel cooperative effects in real propelling devices.     

过阻尼布朗棘轮的斯托克斯效率研究

根据随机能量理论解析得到阻尼环境中布朗粒子的概率流和斯托克斯效率,并进一步研究布朗粒子的输运性能.详细讨论了空间的不对称性、外偏置力及外势结构等对棘轮定向输运的影响.研究发现,合适的外偏置力能使棘轮的定向输运达到最强.通过调节外势的不对称性可使棘轮中粒子的运动反向,当选择合适的空间不对称性时布朗粒子的反向输运可获得最强.此外,一定条件下合适的外势高度也能增强棘轮输运,且能使粒子克服黏滞阻力的斯托克斯效率达到最大.所得结论能够启发实验上设计合适的外势及外偏置来优化布朗棘轮的定向输运性能,并为生物纳米器件的研制提供一定的理论参考.     

涨落作用下周期驱动的分数阶过阻尼棘轮模型的混沌输运现象

考虑涨落作用下周期驱动的过阻尼分数阶棘轮模型, 通过模型的数值求解, 研究确定性棘轮的混沌特性与噪声的作用对输运行为的影响, 进而讨论过阻尼分数阶分子马达反向输运的机理. 分析表明: 随着势垒高度、 势不对称性与模型记忆性的变化, 随机棘轮的反向输运并不必然地要求确定性棘轮也反向输运; 随着模型阶数的减小, 亦即分数阻尼介质记忆性的增强, 确定性棘轮在反向输运之前会经历一个周期倍化导致的混沌状态, 但在噪声作用下, 反向流的发生会提前, 即混沌状态的确定性棘轮在噪声的作用下即可进行反向输运. 也就是说, 噪声能定性地改变棘轮的输运状态: 从无噪声时的混沌运动到有噪声时的定向输运. 这是过阻尼随机棘轮反向输运的一种机理, 也是噪声在定向输运过程中发挥积极作用的一个体现.