[论文解读] Thermodynamic implications of non-reciprocity

Sarah A. M. Loos, Sabine H. L. Klapp|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 78被引用 4

一句话总结

本文表明，在连续时间和空间中的随机自由度之间，非互惠相互作用固有地诱导出稳态能量流，使系统偏离平衡态。它表明，即使仅一个非互惠耦合的自由度也能从单一热库中提取功，作为最小化的自主麦克斯韦妖运行，同时产生具有复杂记忆特性和非零信息流的非马尔可夫动力学。

ABSTRACT

We study the thermodynamic properties induced by non-reciprocal interactions between stochastic degrees of freedom in time- and space-continuous systems. We show that, under fairly general conditions, non-reciprocal coupling alone implies a steady energy flow through the system, i.e., non-equilibrium. Projecting out the non-reciprocally coupled degrees of freedom renders non-Markovian, one-variable Langevin descriptions with complex types of memory, for which we find a generalized second law involving information flow. We demonstrate that non-reciprocal linear interactions can be used to engineer non-monotonic memory, which is typical for, e.g., time-delayed feedback control, and is automatically accompanied with a nonzero information flow through the system. Furthermore, already a single non-reciprocally coupled degree of freedom can extract energy from a single heat bath (at isothermal conditions), and can thus be viewed as a minimal version of a time-continuous, autonomous Maxwell demon. At the same time, the non-reciprocal system has characteristic features of active matter, such as a positive energy input on the level of the flucuating trajectories, without global particle transport.

研究动机与目标

• 研究时间与空间连续的随机系统中非互惠相互作用的热力学后果。
• 理解非互惠耦合如何导致稳态能量流并偏离平衡态。
• 探讨当非互惠耦合变量被投影出去时，非马尔可夫动力学与信息流的出现机制。
• 确定非互惠系统是否能从单一热库中提取功，以模拟麦克斯韦妖的行为。
• 表征此类系统的类活性物质行为，包括无净粒子输运情况下的正向能量输入。

提出的方法

• 分析具有自由度之间非互惠耦合的连续时间、连续空间随机系统。
• 在投影出非互惠耦合变量后推导有效的一变量朗之万方程，得到具有复杂记忆核的非马尔可夫动力学。
• 应用包含非马尔可夫系统中信息流项的一般化热力学第二定律。
• 利用线性非互惠相互作用构造非单调记忆函数，类似于时间延迟反馈控制。
• 在等温条件下构建热力学行为模型，以评估从单一热库中提取功的能力。
• 沿单条随机涨落轨迹量化能量流与信息流，以评估活性行为与非平衡稳态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在连续随机系统中，非互惠耦合会产生哪些热力学效应？
• RQ2 在等温条件下，单个非互惠耦合的自由度能否从单一热库中提取功？
• RQ3 为何投影出非互惠耦合变量会导致具有复杂记忆的非马尔可夫动力学？
• RQ4 在具有非互惠相互作用的非马尔可夫系统中，信息流起什么作用？
• RQ5 此类系统如何在无全局粒子输运的情况下表现出类活性物质行为？

主要发现

• 仅靠非互惠耦合即可诱导出稳态能量流，意味着即使在无外部驱动力的情况下，系统也处于非平衡态。
• 投影出非互惠耦合的自由度后，得到具有复杂记忆核的非马尔可夫朗之万方程。
• 推导出包含信息流项的一般化热力学第二定律，将热力学第二定律扩展至非马尔可夫系统。
• 非互惠线性相互作用可产生非单调记忆函数，其特征与时间延迟反馈相似，并且与非零信息流内在关联。
• 单个非互惠耦合的自由度可在等温条件下从单一热库中提取能量，作为最小化的自主麦克斯韦妖运行。
• 系统在单条随机涨落轨迹上表现出正向能量输入，与活性物质一致，尽管无净粒子输运。