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.     

分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运现象

引入分数阶微积分理论,建立耦合分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运模型, 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. 发现在具有记忆性的分数阶棘齿系统中, 系统阶数与粒子间耦合强度不仅可影响粒子链输运速度, 还可使粒子链出现与整数阶方向相反的定向流; 在阶数固定下, 定向输运速度将随参数(噪声强度、耦合强度、棘齿势峰值高度)变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶布朗马达 闪烁棘齿势 合作定向输运 广义随机共振     

二维势场中弹性耦合粒子的定向输运研究

建立了二维势场中弹性耦合粒子的输运模型, 其中一维上加交流驱动及噪声, 另一维上不加驱动及噪声, 分析讨论了过阻尼情形下系统和外部参量对定向流的影响. 结果表明, 粒子可以通过相互耦合使一个方向上输入的驱动能量转化到垂直方向上, 从而使无能量输入的方向产生定向流. 适当的弹簧自由长度及耦合强度可以使定向流达到极值, 特别是当耦合强度及噪声强度固定时, 定向流会随弹簧自由长度的变化而振荡, 出现多峰现象. 研究还发现, 定向流随噪声强度的变化出现随机共振现象. 当产生定向流方向上的势的不对称度达到一定程度时会出现流反转现象. 关键词： 弹性耦合 定向输运 随机共振 流反转     

时间非对称分数阶类Langevin棘齿

本文将细胞内环境假定为分数阶牛顿黏弹性体并建立了单位质量的一维线动分子马达的时间非对称分数阶类郎之万棘齿模型,其中的周期势函数是空间对称的,而用于刻画ATP水解反应引起的环境波动的则是无偏的时间非对称类郎之万噪声.然后本文将模型转化为离散映射以便进行计算机模拟.最后本文以Logistic映射所生成的类郎之万噪声为例简单模拟了模型的定向输运行为.各参数情形下的模拟结果均显示:无需势函数的空间对称破缺,时间非对称的类郎之万噪声已足以引起模型的定向输运.负向的输运行为应归因于Logistic映射的两个不稳定不动点的非对称分布.因此,尽管模拟结果同整数阶模型相比并无本质区别,但分数阶模型对于分子马达的噪声整流机理的刻画却无疑更接近实际情况.     

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     

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.     

脉冲式棘齿势场作用下囚禁离子的规则与混沌运动

考虑赝势近似下囚禁于Paul阱中的单离子与由脉冲式双激光驻波构成的棘齿势场的相互作用.应用积分方程方法得到系统的经典运动精确解，通过数值方法作出相空间轨道并计算由平均速度定义的流，结合分析与数值结果研究囚禁离子的规则与混沌运动特性.与单驻波型激光脉冲情形相比，发现两个重要的棘齿效应：一是脉冲式棘齿势场的作用导致参数空间混沌区域的改变，从而适当调节第二驻波参数，可使离子的规则运动变为混沌运动，或者混沌运动变为规则运动；二是通过分析平均流随激光参数的变化，发现棘齿势场的介入能使囚禁离子作平均意义下的单向输运，随着势场强度增加到混沌区域，流的强度明显减小并改变方向，系统进入混沌运动. 关键词： 脉冲式棘齿势 囚禁离子 混沌 输运     

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.     

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.     

空时非对称分数阶类Langevin棘齿

研究了空时非对称分数阶类Langevin分子马达棘齿模型,其中势函数是空间对称破缺的周期势,时间非对称类Langevin噪声由Logistic映射生成,而分数阶则刻画了分子马达工作环境的非理想程度.通过将模型转化为离散映射,即研究其整时间点情形,数值模拟了噪声的时间非对称性、势函数的空间非对称性以及分数阶对模型定向输运行为的影响.数值模拟结果表明:噪声的时间非对称性是定向流产生的根源,而势函数的空间非对称性能够与其进行竞争与协作,并在适当的参数条件下导致定向流的逆转;分数阶仅影响定向流的大小而不改变其方向.与经典的整数阶分子马达模型或时间非对称分数阶分子马达棘齿模型相比,该模型可以更为真实地描述分子马达的噪声整流工作机理.     

分数阶对数耦合系统在非周期外力作用下的定向输运现象

本文讨论了分数阶对数耦合系统在非周期外力作用情况下, 耦合粒子链的定向输运现象. 由于粒子在黏性介质中的运动具有“记忆性”, 所以本文通过将系统建模为分数阶对数耦合模型来研究各个系统参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真表明: 1)对于此类系统, 只有在存在外力作用的情况下粒子链才能够产生定向输运现象, 并且粒子链平均流速随着外力的增大而增大. 2)对于分数阶阶数较小的系统, 阻尼记忆性对粒子链的运动状态有显著的影响, 具体表现为: 粒子链的平均流速存在上界(这个上界非常小), 无论外力、耦合力以及噪声强度如何变化, 粒子链的平均流速都不会超过这个上界. 当系统的阻尼力很大且外力为零时, 粒子链不会产生定向输运现象. 3) 当系统的阶数与外力较大时, 虽然粒子链能够产生定向流, 但是此时系统对耦合力与噪声具有免疫性. 4) 耦合力与噪声强度对粒子链运动的影响只在外力较小的情况下有所表现. 在这种情况下, 当系统阶数充分大时, 粒子链的平均流速随着耦合力与噪声强度的变化而变化, 并且伴随着定向流的产生.     

Quantitative simulations of ratchet potential in a dusty plasma ratchet

Using a dusty plasma ratchet, one can realize the rectification of charged dust particle in a plasma. To obtain the ratchet potential dominating the rectification, here we perform quantitative simulations based on a two-dimensional fluid model of capacitively coupled plasma. Plasma parameters are firstly calculated in two typical cross sections of the dusty plasma ratchet which cut vertically the saw channel at different azimuthal positions. The balance positions of charged dust particle in the two cross sections then can be found exactly. The electric potentials at the two balance positions have different values. Using interpolation in term of a double-sine function from previous experimental measurement, an asymmetrical ratchet potential along the saw channel is finally obtained. The asymmetrical orientation of the ratchet potential depends on discharge conditions. Quantitative simulations further reproduce our previous experimental phenomena such as the rectification of dust particle in the dusty plasma ratchet.     

Feedback control in a coupled Brownian ratchet

On the basis of the double-well ratchet potential which can be calculated theoretically and implemented experimentally, the influences of the time delay, the coupling constant, and the asymmetric parameter of the potential on the performance of a delayed feedback ratchet consisting of two Brownian particles coupled mutually with a linear elastic force are investigated. The centre-of-mass velocity of two coupled Brownian particles, the average effective diffusion coefficient, and the Pe number are calculated. It is found that the parameters are affected by not only the time delay and coupling constant but also the asymmetric parameter of the double-well ratchet potential. It is also found that the enhancement of the current may be obtained by varying the coupling constant of the system for the weak coupling case. It is expected that the results obtained here may be observed in some physical and biological systems.     

外力作用下反馈耦合布朗棘轮的定向输运

本文研究了处于外力作用下双阱棘轮势中两个反馈耦合布朗粒子的定向输运性能. 通过对过阻尼朗之万方程的数值求解, 详细讨论了外力、热噪声与势阱的不对称参数等对耦合布朗粒子的平均速度、 有效扩散系数及Pe数的影响. 研究发现, 平均速度随外力呈周期性的变化规律. 同时耦合系统存在最优噪声强度会使定向输运达到最强. 值得指出的是棘轮系统可通过改变双阱势的结构来获得较强的定向流. 关键词： 耦合布朗棘轮 外力 双阱棘轮势 平均速度     

Collective directional transport in coupled nonlinear oscillators without external bias

Directed collective motion in a circular array of unidirectionally coupled oscillators with symmetric potential is obtained numerically in the absence of external bias. This striking feature is interpreted as the effect of the spontaneous breaking of temporal symmetry of the coupling. It is revealed that a proper match of various control parameters is important in generating an optimal coherent global transport. Noise-sustained directed transport is also observed, and the related stochastic resonance in an autonomous system is identified.     

Biased Motion in a Symmetric Periodic Potential by Breaking Temporal Symmetry

Unidirectional transport of a particle in a spatially periodic and symmetric potential under a periodic force with broken temporal symmetry is studied.With a collaboration of the potential field and the asymmetric ac force,a dc current can be observed.Resonant current steps are found for a finite period of the ac force.A phase diagram of these resonant steps is given.Stochastic-resonance-like directional transport induced by thermal nonises is revealed.     

Matrix coupled mode theory model of strongly-coupled multiwaveguide optical nonlinear directional couplers

This paper discusses an improved coupled mode theory model for the nonlinear directional coupler in the strong-coupling range. A new single-line matrix equation is derived for the multiwaveguide case. For the two-guide case, a new critical power formula and two exact identities are derived. Interrelation between the overlap integral and nonlinear cross-coefficients is demonstrated. It is shown that inconsistent inclusion of these terms in previous approaches leads to inaccuracies. Results obtained by consistent inclusion of these terms and our critical power formula show a great improvement in accuracy over previous analyses in strong-coupling.