[论文解读] Experimental test of the universal differential fluctuation theorem with a levitated nanosphere

Thai M. Hoang, Rui Pan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 1

一句话总结

本研究通过光学悬浮的纳米颗粒，在阻尼不足和阻尼过度两种状态下，实验验证了通用微分涨落定理，通过测量瞬时速度来检验非平衡态热力学的基本关系。实验结果证实了适用于任意初态的广义Jarzynski等式以及Hummer-Szabo关系，这是对微分涨落定理的首次直接实验检验，并开启了基于实时速度探测的实验随机热力学研究。

ABSTRACT

Nonequilibrium processes of small systems such as molecular machines are ubiquitous in biology, chemistry and physics, but are often challenging to comprehend. In the past two decades, several exact thermodynamic relations of nonequilibrium processes, collectively known as fluctuation theorems, have been discovered and provided critical insights. These fluctuation theorems are generalizations of the second law, and can be unified by a differential fluctuation theorem. Here we perform the first experimental test of the differential fluctuation theorem, using an optically levitated nanosphere in both underdamped and overdamped regimes, and in both spatial and velocity spaces. We also test several theorems that can be obtained from it directly, including a generalized Jarzynski equality that is valid for arbitrary initial states, and the Hummer-Szabo relation. Our study experimentally verifies these fundamental theorems, and initiates the experimental study of stochastic energetics with the instantaneous velocity measurement.

研究动机与目标

• 对通用微分涨落定理进行实验检验，该定理是非平衡态热力学的统一框架。
• 验证适用于小系统中任意初态的广义Jarzynski等式。
• 利用单一实验平台，在空间和速度空间中检验Hummer-Szabo关系。
• 通过直接测量非平衡过程中瞬时速度，开启实验随机热力学研究。
• 探索单个纳米尺度系统在阻尼不足和阻尼过度两种状态下的涨落定理有效性。

提出的方法

• 利用光学悬浮技术将纳米颗粒与环境热噪声和机械噪声隔离。
• 采用高带宽探测技术，以高时间分辨率测量纳米颗粒的瞬时位置和速度。
• 施加时变外部势场，以受控协议将系统驱动至非平衡态。
• 对多次实验实现中的功和熵产生涨落进行统计分析。
• 将测得的涨落统计与微分涨落定理及其推导关系的理论预测进行比较。
• 系统性调节阻尼条件，以实现阻尼不足和阻尼过度两种状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在具有可测量瞬时速度的单粒子系统中，实验验证微分涨落定理？
• RQ2 在非平衡驱动下，悬浮纳米颗粒的广义Jarzynski等式是否对任意初态均成立？
• RQ3 在单个实验系统中，涨落定理在阻尼不足和阻尼过度两种状态下的行为如何？
• RQ4 当直接测量速度时，Hummer-Szabo关系在随机过程中的适用程度如何？
• RQ5 实时速度测量是否能够实现在纳米尺度系统中的实验随机热力学研究？

主要发现

• 在阻尼不足和阻尼过度两种状态下，微分涨落定理均以高统计显著性得到实验验证。
• 广义Jarzynski等式在任意初态下得到证实，其适用范围已超越平衡初始条件。
• Hummer-Szabo关系在空间和速度空间中均得到实验验证，表明不同状态空间表示下的一致性。
• 通过直接测量瞬时速度，首次实现了在受控纳米尺度系统中对随机热力学的实验研究。
• 实验结果与基于微分涨落定理推导出的理论预测高度一致。
• 本研究证明了在单一可调实验平台中，通过完全获取动力学变量，可实现对基本非平衡定理的检验。