[论文解读] Temporally Asymmetric Fluctuations are Sufficient for the Operation of a Correlation Ratchet

Dante R. Chialvo, Mark M. Millonas|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 1994

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文表明，时间非对称涨落——即在时间反演下不具备不变性——可在对称的 ratchet 势阱中驱动定向运动，从而无需空间不对称性。其关键贡献在于证明仅凭时间相关性结构，即使在对称势阱中，也足以将零均值涨落整流为净功，为非平衡系统中的能量转换提供了一种新机制，尤其与生物分子马达密切相关。

ABSTRACT

It has been shown that the combination of a broken spatial symmetry in the potential (or ratchet potential) and time correlations in the driving are crucial, and enough to allow transformation of the fluctuations into work. The required broken spatial symmetry implies a specific molecular arrangement of the proteins involved. Here we show that a broken spatial symmetry is not required, and that temporally asymmetric fluctuations (with mean zero) can be used to do work, even when the ratchet potential is completely symmetric. Temporal asymmetry, defined as a lack of invariance of the statistical properties under the operation to temporal inversion, is a generic property of nonequilibrium fluctuation, and should therefore be expected to be quite common in biological systems.

研究动机与目标

• 研究空间对称性破缺是否为涨落ratchet式整流所必需。
• 探讨仅凭时间相关性是否足以在对称势阱中驱动定向运动。
• 确立涨落的时间非对称性足以产生净功。
• 为不依赖结构不对称性的生物分子马达提供理论基础。

提出的方法

• 作者建立了一个在非马尔可夫、时间相关噪声驱动下的对称周期势阱中的布朗粒子模型。
• 将时间非对称性定义为统计性质在时间反演下不具不变性，并通过相关函数在 t → -t 下的行为来量化。
• 利用随机热力学与福克-普朗克形式化方法，计算由涨落力引起的平均速度与电流。
• 分析在零均值外力下净电流变为非零的条件，重点关注时间相关性结构的作用。
• 证明即使势阱对称且噪声均值为零，当噪声具有时间非对称性时，仍会产生定向运动。
• 通过相关噪声的朗之万方程的解析解与数值模拟验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无空间不对称性的对称 ratchet 势阱中，能否产生定向运动？
• RQ2 仅凭时间相关性结构是否足以将涨落整流为净功？
• RQ3 除均值外，噪声的何种特定性质可使对称系统中产生电流？
• RQ4 涨落的时间非对称性与空间非对称性在驱动 ratchet 运行方面有何区别？
• RQ5 该机制能否解释缺乏结构不对称性的生物系统中的能量转换？

主要发现

• 零均值涨落的时间非对称性足以在对称 ratchet 势阱中产生净电流。
• 净电流的产生源于噪声相关函数在时间反演下不具不变性，即使势阱对称亦然。
• 系统在无净外力或空间梯度的情况下表现出定向输运。
• 该机制无需破坏空间对称性，挑战了关于 ratchet 运行的既有假设。
• 结果表明，时间相关性结构是非平衡系统中整流的通用且充分条件。
• 研究结果提示了一种可能的机制，适用于可能不依赖结构不对称性的生物系统中的分子马达。