Tunneling Mechanism for Changing the Motion Direction of a Pulsating Ratchet. Temperature Effect

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A pulsating ratchet with a spatially periodic double-well potential profile undergoing shift fluctuations for half a period is considered. The motion direction in such a ratchet is determined by the probability of overcoming which of the barriers surrounding the shallow potential well is greater. At relatively high temperatures, in accordance with the Arrhenius law, the probabilities of overcoming the barriers are determined by their heights, and at temperatures close to absolute zero, when the ratchet moves according to the tunnel mechanism, the barrier shapes are also important. Therefore, for narrow high and low wide barriers, the overcoming mechanism may turn out to be different and, moreover, dependent on temperature. As a result, a temperature-induced change in the direction of the ratchet motion is possible. A simple interpolation theory is presented to illustrate this effect. Simple criteria are formulated for the shape of the potential relief, using which one can experimentally observe motion reversal.

About the authors

V. M. Rozenbaum

Belarusian State University;Dalian University of Technology

Email: vik-roz@mail.ru
220050, Minsk, Belarus;116024, Dalian, People’s Republic of China

I. V. Shapochkina

Belarusian State University;Dalian University of Technology

Email: vik-roz@mail.ru
220050, Minsk, Belarus;116024, Dalian, People’s Republic of China

L. I. Trakhtenberg

Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences;Moscow State University

Author for correspondence.
Email: vik-roz@mail.ru
119991, Moscow, Russia;119991, Moscow, Russia

References

  1. P. Reimann, M. Grifoni, and P. H¨anggi, Phys. Rev. Lett. 79, 10 (1997).
  2. P. Reimann, Phys. Rep. 361, 57 (2002).
  3. P. H¨anggi and F. Marchesoni, Rev. Mod. Phys. 81, 387 (2009).
  4. V. M. Rozenbaum, T. Ye. Korochkova, I. V. Shapochkina, and L. I. Trakhtenberg, Phys. Rev. E 104, 014133 (2021).
  5. Ю. В. Гуляев, А. С. Бугаев, В. М. Розенбаум, Л. И. Трахтенберг, Успехи физических наук 190, 337 (2020)
  6. Yu. V. Gulyaev, A. S. Bugaev, V. M. Rozenbaum, and L. I. Trakhtenberg, Phys.- Uspekhi 63, 311 (2020).
  7. V. M. Rozenbaum, I. V. Shapochkina, Y. Teranishi, and L. I. Trakhtenberg, Phys. Rev. E 100, 022115 (2019).
  8. R. D. Astumian and M. Bier, Phys. Rev. Lett. 72, 1766 (1994).
  9. В. М. Розенбаум, И. В. Шапочкина, Л. И. Трахтенберг, Успехи физических наук 189, 529 (2019)
  10. V. M. Rozenbaum, I. V. Shapochkina, and L. I. Trakhtenberg, Phys.-Uspekhi 62, 496 (2019).
  11. J. A. Fornes, Principles of Brownian and Molecular Motors, Springer, Cham (2021).
  12. D. Dan, M. C. Mahato, and A. M. Jayannavar, Phys. Rev. E 63, 056307 (2001).
  13. B. Q. Ai, H. Z. Xie, and L. G. Liu, Eur. Phys. J. B 47, 109 (2005).
  14. В. М. Розенбаум, ЖЭТФ 137, 740 (2010).
  15. V. M. Rozenbaum, T. Ye. Korochkova, A. A. Chernova, and M. L. Dekhtyar, Phys. Rev. E 83, 051120 (2011).
  16. H. Linke, T. E. Humphrey, A. L¨ofgren, A. O. Sushkov, R. Newbury, R. P. Taylor, and P. Omling, Science 286, 2314 (1999).
  17. H. Linke, T. E. Humphrey, P. E. Lindelof, A. Lofgren, R. Newbury, P. Omling, A. O. Sushkov, R. P. Taylor, and H. Xu, Appl. Phys. A 75, 237 (2002).
  18. В. М. Розенбаум, Письма в ЖЭТФ 79, 475 (2004).
  19. Yu. A. Makhnovskii, V. M. Rozenbaum, D.-Y. Yang, S. H. Lin, and T. Y. Tsong, Phys. Rev. E 69, 021102 (2004).
  20. V. M. Rozenbaum, D.-Y. Yang, S. H. Lin, and T. Y. Tsong, J. Phys. Chem. B 108, 15880 (2004).
  21. P. H¨anggi, P. Talkner, and M. Borkovec, Rev. Mod. Phys. 62, 251 (1990).
  22. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Квантовая механика. Нерелятивистская теория, Наука, М. (1989)
  23. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Quantum mechanics. Non-relativistic theory, Pergamon Press, Oxford (1965).
  24. В. И. Гольданский, Докл. АН СССР 124, 1261 (1959).
  25. В. И. Гольданский, Докл. АН СССР 127, 1037 (1959).
  26. В. И. Гольданский, Л. И. Трахтенберг, В. Н. Флеров, Туннельные явления в химической физике, Наука, М. (1986)
  27. V. I. Goldanskii, L. I. Trakhtenberg, and V. N. Fleurov, Tunneling phenomena in chemical physics, Gordon and Breach Science Publishers, N.Y. (1989).
  28. L. I. Trakhtenberg, V. L. Klochikhin, and S. Ya. Pshezhetskii, Chem. Phys. 69, 121 (1982).
  29. Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский, Физическая кинетика, Наука, М. (1979).
  30. В. М. Розенбаум, И. В. Шапочкина, Ё. Тераниши, Л. И. Трахтенберг, Письма в ЖЭТФ 107, 525 (2018)
  31. V. M. Rozenbaum, I. V. Shapochkina, Y. Teranishi, and L. I. Trakhtenberg, JETP Lett. 107, 506 (2018).
  32. R. D. Astumian and P. Hanggi, Phys. Today 55(11), 33 (2002).
  33. V. M. Rozenbaum, O. Ye. Vovchenko, and T. Ye. Korochkova, Phys. Rev. E 77, 061111 (2008).
  34. L. Gammaitoni, P. H¨anggi, P. Jung, and F. Marchesoni, Rev. Mod. Phys. 70, 223 (1998).
  35. R. A. Marcus, J. Chem. Phys. 20, 359 (1952).
  36. R. A. Marcus, Annu. Rev. Phys. Chem. 15, 155 (1964).
  37. R. R. Dogonadze, A. M. Kuznetzov, and V. G. Levich, Electrochim. Acta 13, 1025 (1968).
  38. A. M. Kuznetsov, Charge Transfer in Physics, Chemistry and Biology, Gordon and Breach, N.Y. (1995).
  39. G. K. Ivanov, M. A. Kozhushner, and L. I. Trakhtenberg, J. Chem. Phys. 113, 1992 (2000).
  40. А. И. Ларкин, Н. Овчинников, Письма в ЖЭТФ 37, 322 (1983).
  41. A. J. Leggett, Prog. Theor. Phys. Suppl. 69, 80 (1980).
  42. A. O. Calderia and A. J. Leggett, Phys. Rev. Lett. 46, 21l (1981).
  43. A. J. Leggett, Phys. Rev. B 30, 1208 (1984).
  44. А. И. Ларкин, Н. Овчинников, ЖЭТФ 86, 719 (1984).
  45. O. Kedem, B. Lau, M. A. Ratnera, and E. A. Weiss, PNAS 114, 8698 (2017).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».