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Main Title: Feedback controlled collective transport in one-dimensional periodic potentials
Translated Title: Rückkoppelgeregelter kollektiver Transport in eindimensionalen periodischen Potentialen
Author(s): Gernert, Robert
Advisor(s): Klapp, Sabine H. L.
Referee(s): Thiele, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit untersuchen wir den Transport von Kolloiden in einer räumlichen Dimension mit theoretischen und numerischen Methoden. Wir betrachten die Brownsche Bewegung der Kolloide unter dem Einfluss eines starken externen räumlich moduliertes Feldes. Wir modellieren den externen Einfluss mit einem periodischen Potential und einer konstanten treibenden Kraft. Wir interessieren uns für Prozesse außerhalb des thermischen Gleichgewichts. Insbesondere studieren wir die Bewegung auf Längen- und Zeitskalen, die zwischen der Bewegung in den Tälern des Potentials und der Bewegung zwischen den Tälern liegen. Für die theoretische Beschreibung der Brownschen Bewegung setzen wir die Langevin Gleichung und die zugehörige Fokker-Planck Gleichung, die Smoluchowski Gleichung, ein. Weiterhin benutzen wir die Dynamische Dichtefunktionaltheorie um die Teilchenwechselwirkungen auf großen Längen- und Zeitskalen berechnen zu können. In den ersten beiden Kapiteln betrachten wir die Bewegung eines einzelnen Brownschen Teilchens im gekippten Waschbrettpotential. Wir betrachten die Kurzzeitdiffusion, die durch die mittlere quadratische Verschiebung des Teilchens quantifiziert ist. Wir präsentieren ein einfaches Modell, das analytische Voraussagen für die zeitabhängigen Diffusionseigenschaften liefert. Weiterhin studieren wir die Zeit, die ein Brownsches Teilchen für die Überquerung einer Energiebarriere benötigt. Dazu schlagen wir eine Verallgemeinerung der Wartezeitverteilung vor, die zuvor nur für diskrete System verfügbar war. Mit dieser Wartezeitverteilung können Systeme, die nahezu diskrete Dynamik besitzen, nun mit hoher Genauigkeit charakterisiert werden. Nach diesen Grundlagenuntersuchungen wenden wir uns einer Rückkoppelsteuerung zu. Solch eine Steuerung optimiert das Verhalten eines System unter Verwendung von Informationen aus dem System selbst. Unsere Rückkoppelsteuerung steuert ein Brownsches Teilchen in einem asymmetrischen periodischen Potential auf der Basis von zeitverzögerter Bereitstellung der Information aus dem System. Wir zeigen, dass dadurch ein gerichteter Strom in dem System entsteht. Der Vergleich mit dem zugehörigen System ohne rückgekoppelte Steuerung zeigt, dass der Strom durch rückgekoppelte Steuerung verstärkt werden kann. In den letzten beiden Kapiteln behandeln wir Diffusion und Transport von wechselwirkenden Teilchen. Wir konzentrieren uns wieder auf die mittlere quadratische Verschiebung und zeigen, dass die Diffusion durch repulsive Teilchenwechselwirkung verstärkt wird. Danach schlagen wir eine weitere Rückkoppelsteuerung für den kollektiven Transport vor. Die Steuerung arbeitet wie eine optische Falle, die mit den Teilchen mitbewegt wird. Wir zeigen, dass die Mobilität der Teilchengruppe durch das Zusammenspiel von Falle und Teilchenwechselwirkung um mehrere Größenordnungen erhöht wird.
In this thesis, we investigate the transport of colloids in one spatial dimension by numerical computations and theoretical considerations. We consider the Brownian motion of the colloids in the presence of spatially periodic strong external fields, which we model with a tilted washboard potential. We are interested in the time-dependent evolution of non-equilibrium processes in this potential. We focus on the time and length scales which span from the motion inside one valley of the periodic potential to the motion among the valleys. The theoretical description of the continuous stochastic thermal fluctuations in the particles’ positions is achieved via the overdamped Langevin equation and its Fokker-Planck equation, the Smoluchowski equation (SE). Further, we employ the Dynamical density functional theory (DDFT) to predict the motion of interacting colloids on large time and length scales. In the first two content chapters we consider the transport of a single Brownian particle in a tilted washboard potential. We are interested in the short time diffusion, in particular in the mean squared displacement (MSD). We propose a simple model which yields analytic expressions for the time dependence of diffusional properties such as the MSD. Then we turn to the question: How long does a stochastic process take? To answer this question for our asymmetric continuous system, we propose a generalisation for the waiting time distribution (WTD), which was previously available only for discrete systems. Our definition of the WTD and our recipe to calculate the WTD via a SE facilitates a detailed characterisation of nearly discrete stochastic processes. In the middle of this thesis we present a time delayed feedback control protocol for the motion of a single Brownian particle in an asymmetric periodic potential. Feedback control means that the systems is steered towards a certain behaviour by using information from the system itself. We show that an ensemble averaged modelling of feedback control via a Fokker-Planck equation makes sense for a dilute colloidal suspension. We apply the modelling to a ratchet system where the time delay in the feedback protocol creates the ratchet effect. By varying the parameters of the control protocol we show that the generated current can be higher than that of a corresponding standard ratchet system. Further, we address stochastic thermodynamics and examine the entropy production entwined with this non-equilibrium process. In the last two chapters, we consider the effect of particle interactions on diffusion and transport in a tilted washboard potential. We consider ultra-soft particle interaction and attractive hard spheres. We find that ultra-soft repulsive interaction between particles results in a much stronger diffusion compared to the single particle case. We calculate the MSD and the diffusion coefficient and show the influence of particle interaction to the giant diffusion effect. Finally, we propose a feedback control protocol for the collective transport of several particles. We impose a trapping potential onto the colloids which mimics moving optical tweezers. The particles agglomerate to clusters. We show that the combined influence of the feedback controlled trap and the repulsive particle interactions leads to an enhancement of the mobility of the particle cluster of several orders of magnitude.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-73825
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5097
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4800
Exam Date: 16-Oct-2015
Issue Date: 10-Nov-2015
Date Available: 10-Nov-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Browsche Bewegung
Dynamische Dichtefunktionaltheorie
Klassischer Transport
Kolloidale Systeme
Stochastische Analysemethoden
Classical transport
Colloidal systems
Dynamical density functional theory
Feedback control
Stochastic analysis methods
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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