paris, fifem 2012, january 25. udo seifertdavid/fr2012/talk-udo.pdf · 2012. 1. 27. · paris,...

26
Paris, FIFEM 2012, January 25. Stochastic thermodynamics of nano-machines Udo Seifert II. Institut f¨ur Theoretische Physik, Universit¨ at Stuttgart Acknowledgments: D. Abreu and T. Schmiedl 1

Upload: others

Post on 02-Feb-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

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]

    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