paris, fifem 2012, january 25. udo seifertdavid/fr2012/talk-udo.pdf · 2012. 1. 27. · paris,...
TRANSCRIPT
-
Paris, FIFEM 2012, January 25.
Stochastic thermodynamics of nano-machines
Udo Seifert
II. Institut für Theoretische Physik, Universität Stuttgart
Acknowledgments:
• D. Abreu and T. Schmiedl
1
-
• Rough classification of micro/nano machines
– autonomous (NESS) vs ext driven (cyclic or feedback)
– isothermal vs “heat engines”
– discrete states vs continuous states
2
-
• Smallest rotor: F1-ATP-ase
[K. Hayashi, ... H. Noji, PRL 104, 218103 (2010)]
– single steps
– kinetics vs thermodynamics
– first law?
3
-
• Stochastic th’dynamics of a driven enzym with internal states
[T.Schmiedl, T.Speck and U.S., JSP 128 77, 2007; U.S., EPJ E 34 26, 2011]
w0nm
A1
A2
A3
A1
A2
A3
n
m
w0mn
– A1 + nwnm⇀↽
wmnm+A2 +A3
– mass action law kinetics:
– wnmwmn=
w0nmw0mn
[A1]/[A2][A3]
– Fn = En − TSn
• First law w = ∆E + q for a single step:
– internal energy: ∆E ≡ Em −En +∆Esol
– dissipated heat: qnm ≡ w −∆E = lnwnm/wmn − T∆(Snm + Ssol)
4
-
• Experiment: Stochastic thermodynamics of F1-ATP-ase
[S. Toyabe et al, PRL 104, 198103 (2010)]
5
-
• Paradigmatic example: Efficiency of one step molecular motors
[cf. F. Jülicher at al, Rev. Mod. Phys. 1997]
l
F
V (x)δl
w+ = [ATP ] w+0 exp[−δl F ]
w− = [ADP ][P ] w−0 exp[(1− δ)l F ]
– Power output Pout = (w+ − w−) Fl
– Power input Pin = (w+ − w−)∆µ
– efficiency 0 ≤ η ≡ Pout/Pin ≤ 1
6
-
• Efficiency at maximum power:
[T. Schmiedl and U.S., EPL 83, 30005, 2008]
– Maximum power for fixed ∆µ: P ∗out = [w+(F ∗) − w−(F ∗)] F ∗l
η∗
10.50.20.1
0 5 10 15 20 25 300
0.2
0.4
0.6
0.8
1
∆µ/(kBT )
δ
l
F
V (x)δl
– universal (η∗ ≈ 1/2) close to eq,, i.e.. in lin response
cf [Esposito ... vd Broeck, PRL ’09, PRL ’10]
– η∗ can increase above 1/2 [ 6= Gaveau et al. PRL ’10]
7
-
• Efficiency of autonomous nano-machines at maximum power
[U.S., PRL 106, 020601, 2011]
– output: wout = fd
– input: win = ∆µ
– mean currents: j± ≡ 1/τ±
– local detailed balance: j−/j+ = exp(−∆S) = exp(wout − win)
– power:
Pout,in = (j+ − j−)× wout,in
= j+(wout, win) [1− exp(−∆S)] wout,in
8
-
- Efficiency: η ≡ wout/win
- Efficiency at maximum power (EMP)
* case I: fix win, maximize Pout with respect to wout:
* win = w∗out + ln
(
1+w∗out
1+xoutw∗out
)
with xout ≡ d ln j+/dwout
* EMP: η∗ ≡w∗outwin
≈ 1/2+ (xout +1/2)win.
xout=5
xout=1
2
xout=-2
0 1 2 3 4 5 60.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ωin
Η*
9
-
- Efficiency at maximum power η∗∗
* case III: maximize Pout with respect to wout and win
– three regimes
10
-
• Multicyclic machines
– strong coupling (SC) vs weak coupling (WC)
– SC: essentially as unicyclic case
– WC: less universal and η∗LR < 1/2
• similarly for autonomous heat engines: η∗ ≈ ηc/2
11
-
• Generalized Green-Kubo relations [U.S., PRL 104, 138101, 2010]
rates
– show sensitivity
rαmn ≡ ∂ lnwmn/∂hα
– obey local detailed balance
wmn(h)wnm(h)
= wmnwnm
∣∣∣|h=0
exp (hαdαmn/T)
12
-
– currents
– net probab’ty currents Kmn ≡ pmwmn − pnwnm
– ordinary current jα(t) ≡∑
j δ(t− tj)dαn−j n
+j
– sensitivity-weighted current
να(t) =∑
kKn(t)k rαn(t)k
/ pn(t)
– (differential) mobility µαβ = ∂jα/∂hβ
Dαβ = Tµαβ +∫∞0 dt 〈jα(t)(νβ(0)− jβ)〉
– additive relationship between dispersion and mobility,
better not: T effαβ ≡Dαβ/µαβ
13
-
• Isothermal machines with feedback: Work from a single heat bath?
– Maxwell’s demon (1867) – Szilard engine (1929)
but: Landauer’s principle (erasure of 1 bit of information costs kBT ln 2)
14
-
• Stochastic th’dynamics of a colloidal particle
λ(τ )
V (x, λ)
x
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
V (x, λ)
f (λ)
– Langevin dynamics ẋ = µ[−V ′(x, λ) + f(λ)] + ζ
with external driving λ(τ) and 〈ζ1ζ2〉 = 2µkBT︸ ︷︷ ︸(≡1)
δ12
– First law [(Sekimoto, 1997)]: dw = du+ dq
∗ applied work: dw = ∂λV (x, λ)dλ+ f dx
∗ internal energy: du = dV
∗ dissipated heat: dq = dw − du = [−∂xV (x, λ) + f ]dx = Tdsm
– stochastic entropy: ds ≡ −d [ln p(x, t)] [U.S., PRL ’05]
15
-
• Measurement and feedback
– initially thermal equilibrium peq(x)
– measurement yields xm (±ym, precision)
– acquired information: I ≡ lnp(x|xm)peq(x)
similar to stochastic entropy
– subsequent control λ(τ)|xm in order to extract work
16
-
• Fluctuation theorems with measurement and feedback
fixed λ without with
equilibrium 〈exp[−(w −∆F)]〉 = 1 〈exp[−(w −∆F − I)]〉 = 1
Jarzynski, PRL’97 Sagawa and Ueda, PRL’08
〈exp[−∆stot]〉 = 1 〈exp[−(∆stot + I)]〉 = 1
NESS U.S., PRL’05
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
V (x, λ)
f (λ)
〈exp[−(∆(stot − shk)]〉 = 1 〈exp[−(∆(stot − shk + I)]〉 = 1
Hatano and Sasa, PRL’01 D. Abreu & U.S., PRL 108 030601, 2012
with concise “universal” proof
17
-
• Fluctuation theorem implies bounds on power
IFT ”2nd law”
equilibrium 〈exp[−(w −∆F + I)]〉 = 1 Wout ≤ −∆F + I
〈exp[−(∆stot + I)]〉 = 1 ∆Stot ≥ −INESS
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
V (x, λ)
f (λ)
〈exp[−(∆(stot − shk + I)]〉 = 1 ∆Stot ≥ ∆Shk − I
⇒ ˙Wout ≤ Ẇ in − Q̇hk + İ
18
-
• Example: Brownian particle in a harmonic trap
[D. Abreu and U.S., EPL 94, 10001, 2011 ]
* measurement yields
xm (±ym, precision)
– Case 1: One control parameter (position)
0 xmb(0)
V(x,0)=V(x,t)V(x,0 )
V(x,t )-+
jumps
linear displacement
∗ Optimal extracted mean work:
Wout∗(t) = t
2(2+t)1
1+y2m−→ 1
2(1+y2m)
19
-
• Case 2: Two control parameters (position λ and stiffness k)
– Controlling both degrees of freedom leads to:
Wout∗(t → ∞) =
1
2ln
(
1+1
y2m
)
= −I
– optimal finite-time behaviour
20
-
• Feedback with genuine non-equilibrium states
[D. Abreu and U.S., PRL 108, 030601 (2012)]
w+1 = e(f−E)/2 = 1/w−1
w+2 = e(f+E)/2 = 1/w−2
- measure position every tm
- adjust energy of state 2 as ±|E|
21
-
• Results for cyclic operation
- optimal E(f, tm)
- for tm → ∞ : Ẇ in ≈ Q̇hk
- for tm → 0 : İ → ∞
- net gain for tm < t∗m
22
-
• Heat engines at maximal power
– Carnot (1824)
Th
Tc
−Qh
Qc
−W
– ηc ≡ 1− Tc/Thbut zero power
– Curzon-Ahlborn (1975)
Th
Tc
−W
−Qh = α(Th − Tmh )
Qc = β(Tmc − Tc)
Tmc
Tmh
– efficiency at maximum power
ηca ≡ 1−√
Tc/Th
23
-
• Brownian heat engine at maximal power with universal bounds
[T. Schmiedl and U.S., EPL 81, 20003, (2008)]
VV
V
Tc
Th
V
pa pb
pbpa
1
3
4
2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4 5
η∗
(Th − Tc)/Tc
ηC
α = 1/2α = αCA
α = 1
– η∗ = ηc2−αηcwith 0 ≤ α ≤ 1 implies ηc2 ≤ η
∗ ≤ ηc2−ηc
– Curzon-Ahlborn neither universal nor a bound
– cf. Esposito, Kawai, Lindenberg, vd Broeck, PRL ’10
– cf. extended classification by Wang & Tu on arxiv
24
-
• Experimental realization in the Sterling version
[V. Blickle and C. Bechinger, nature physics 2012]
T =22 °Cc
expansion
isothermal
-0.2 0.0 0.2
position [µm]
(4)
-0.2 0.0 0.2
position [µm]
(1)
-0.2 0.0 0.2
position [µm]
(2)
V
(3)
-0.2 0.0 0.2
position [µm]
(4)
(1)
(2)
(3)
H
T =86 °Ch
compression
isothermal
isochoric
isochoric
pmacroscopic Stirling cycle
transitio
n
transitio
n
a
0 1
-1
0
1
p(wn)
b
(3)
(1) (1) (1)(2) (2)(2)
(3) (3)(4)(4) (4)
wn
0 500 1000 1500 2000-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
0 30
-1
0
1
2
W[k
BT
c]
time[s]
W[k
BT
c]
time[s]
0 100
-1
0
1
wn
[kBT
c]
cycle number n
c
a
b0 10 20 30 40 50
-0.2
0.0
0.2
Eff
icie
ncy
ht [s]
h¥
0 10 20 30 40 50
-0.10
-0.05
0.00
0.05
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
P[k
BT
c/s
]
w[k
BT
c]
25
-
• Conclusions
– classification of stochastic engines
– general theory for EMP of autonomous machines
∗ separate system specific from universal contributions
∗ EMP depends crucially on parameter space
∗ isothermal: no bounds beyond LR regime
– feedback controlled isothermal machines
∗ fluctuation theorems and bounds on power
∗ ex’s: harmonic trap set-up and a genuine NESS machine
– heat engines: universal one-parameter EMP with bounds
26