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.     

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.     

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     

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.     

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.     

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.     

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     

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     

分数阶质量涨落谐振子的共振行为

针对黏性介质引起的Brown粒子质量存在随机涨落以及阻尼力对历史速度具有记忆性等问题, 本文首次提出分数阶质量涨落谐振子模型, 以考察黏性介质中Brown粒子的动力学特性. 首先, 将Shapiro-Loginov 公式分数阶化, 使之适用于对含指数关联随机系数的分数阶随机微分方程的求解. 然后, 利用随机平均法和分数阶Shapiro-Loginov公式推导系统稳态响应振幅的解析表达式, 并据此研究系统的共振行为; 最后, 通过仿真实验验证理论结果的可靠性. 研究表明: 1)质量涨落噪声可诱导系统产生随机共振行为; 2)记忆性阻尼力可诱导系统产生参数诱导共振行为; 3)不同参数条件下, 系统表现出单峰共振、双峰共振等多样化的共振形式. 关键词： 黏性介质 质量涨落 阻尼记忆性 分数阶谐振子     

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.     

反馈控制棘轮的定向输运效率研究

研究了反馈耦合布朗棘轮中粒子处于负载力、时变外力及噪声作用下的定向输运问题.详细讨论了外力作用时间的不对称性、外势空间的不对称性及外力周期等对反馈耦合棘轮中粒子输运效率的影响.研究发现,外力的时间不对称度能促进反馈棘轮中粒子的定向输运,随时间不对称度的增大,反馈棘轮中粒子能获得较大的效率.然而,外势空间的不对称度能有效抑制耦合棘轮中粒子的扩散,达到增强耦合粒子定向输运的效果.同时还发现,存在最优的噪声强度能使耦合粒子的输运效率达到最大.     

Rotational effect in two-dimensional cooperative directed transport

In this review we investigate the rotation effect in the motion of coupled dimer in a two-dimensional asymmetric periodic potential. Free rotation does not generate directed transport in translational direction, while we find it plays an critical role in the motors motility when the dimer moves under the effect of asymmetry ratchet potential. In the presence of external force, we study the relation between the average current and the force numerically and theoretically. The numerical results show that only appropriate driving force could produce nonzero current and there are current transitions when the force is large enough. An analysis of stability analysis of limit cycles is applied to explain the occurrence of these transitions. Moreover, we numerically simulate the transport of this coupled dimer driven by the random fluctuations in the rotational direction. The existence of noise smooths the current transitions induced by the driving force and the resonance-like peaks which depend on the rod length emerge in small noise strength. Thanks to the noise in the rotational direction, autonomous motion emerges without the external force and large noise could make the current reversal happen. Eventually, the new mechanism to generate directed transport by the rotation is studied.