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凝聚态物理 > 统计力学

arXiv:2412.03045 (cond-mat)
[提交于 2024年12月4日 (v1) ,最后修订 2025年4月6日 (此版本, v2)]

标题: 非平衡稳态下间歇势中的布朗运动

标题: Nonequilibrium steady state of Brownian motion in an intermittent potential

Authors:Soheli Mukherjee, Naftali R. Smith
摘要: 我们计算在间歇性约束势下布朗粒子位置的稳态分布$P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X})$,该势以恒定速率$\gamma$开启和关闭。 我们假设外部势$U(\boldsymbol{x})$是光滑的,并在$\boldsymbol{x} = \boldsymbol{x}_0$处具有唯一的全局最小值,在维度$d>1$下,我们另外假设$U(\boldsymbol{x})$是中心的。 我们关注快速切换极限$\gamma \to \infty$。 典型的涨落遵循玻尔兹曼分布$P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X}) \sim e^{- U_{\text{eff}}(\boldsymbol{X}) / D}$,具有有效势能$U_{\text{eff}}(\boldsymbol{X}) = U(\boldsymbol{X})/2$,其中$D$是扩散系数。 然而,我们还计算了$P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X})$的尾部,它们的行为非常不同。 在远尾部$|\boldsymbol{X}| \to \infty$,出现了一种与捕获势无关的普遍行为$P_{\text{SSD}}\left(\boldsymbol{X}\right)\sim e^{-\sqrt{\gamma/D} \, \left|\boldsymbol{X}-\boldsymbol{x}_{0}\right|}$。 到达位置$\boldsymbol{X}$的平均首达时间在主导阶上由$\sim 1/P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X})$给出。 这与有效势能$U_{\text{eff}}$的阿伦尼乌斯定律相符,但对于$\boldsymbol{X} \simeq \boldsymbol{x}_0$以外的情况则偏离该定律。 我们给出了谐波势能的显式结果。 最后,我们将结果扩展到周期性的一维系统。 在此我们发现,在$\gamma \to \infty$和$D \to 0$的极限下,$P_{\text{SSD}}(X)$的对数表现出奇异性,我们将其解释为一阶动力学相变(DPT)。 这种 DPT 在没有外部漂移的情况下发生。 我们还计算了稳态中由于系统非平衡性质而产生的非零概率流。
摘要: We calculate the steady state distribution $P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X})$ of the position of a Brownian particle under an intermittent confining potential that switches on and off with a constant rate $\gamma$. We assume the external potential $U(\boldsymbol{x})$ to be smooth and have a unique global minimum at $\boldsymbol{x} = \boldsymbol{x}_0$, and in dimension $d>1$ we additionally assume that $U(\boldsymbol{x})$ is central. We focus on the rapid-switching limit $\gamma \to \infty$. Typical fluctuations follow a Boltzmann distribution $P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X}) \sim e^{- U_{\text{eff}}(\boldsymbol{X}) / D}$, with an effective potential $U_{\text{eff}}(\boldsymbol{X}) = U(\boldsymbol{X})/2$, where $D$ is the diffusion coefficient. However, we also calculate the tails of $P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X})$ which behave very differently. In the far tails $|\boldsymbol{X}| \to \infty$, a universal behavior $P_{\text{SSD}}\left(\boldsymbol{X}\right)\sim e^{-\sqrt{\gamma/D} \, \left|\boldsymbol{X}-\boldsymbol{x}_{0}\right|}$ emerges, that is independent of the trapping potential. The mean first-passage time to reach position $\boldsymbol{X}$ is given, in the leading order, by $\sim 1/P_{\text{SSD}}(\boldsymbol{X})$. This coincides with the Arrhenius law (for the effective potential $U_{\text{eff}}$) for $\boldsymbol{X} \simeq \boldsymbol{x}_0$, but deviates from it elsewhere. We give explicit results for the harmonic potential. Finally, we extend our results to periodic one-dimensional systems. Here we find that in the limit of $\gamma \to \infty$ and $D \to 0$, the logarithm of $P_{\text{SSD}}(X)$ exhibits a singularity which we interpret as a first-order dynamical phase transition (DPT). This DPT occurs in absence of any external drift. We also calculate the nonzero probability current in the steady state that is a result of the nonequilibrium nature of the system.
评论: 18页,4图
主题: 统计力学 (cond-mat.stat-mech)
引用方式: arXiv:2412.03045 [cond-mat.stat-mech]
  (或者 arXiv:2412.03045v2 [cond-mat.stat-mech] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.03045
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: J. Stat. Mech. (2025) 033205
相关 DOI: https://doi.org/10.1088/1742-5468/adbefd
链接到相关资源的 DOI

提交历史

来自: Soheli Mukherjee [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2024 年 12 月 4 日 05:49:25 UTC (97 KB)
[v2] 星期日, 2025 年 4 月 6 日 09:19:42 UTC (97 KB)
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