分子ratchet器件和ratchet制冷【開題報告+文獻綜述+畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p><b>　　應用物理</b></p><p>　　分子ratchet器件和Ratchet制冷</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　最近,人們已經(jīng)越來越感興趣學習網(wǎng)電壓 (例如:一個非零直流電壓與一個零直

2、流電流)和直流伏安特點約瑟夫森結(jié)(超導結(jié))和噪音。據(jù)報道,是對稱的噪聲可生產(chǎn)網(wǎng)電壓和糾正直流電壓。我們已經(jīng)知道了相關(guān)的對稱的噪音也能產(chǎn)生凈電壓，源于系統(tǒng)的破壞對稱糾紛的加性和乘性之間的相關(guān)性噪音。薩帕塔、蘇達權(quán)等調(diào)查了直流伏安的特點,為非對稱直流設備有三個約瑟夫森結(jié)則螺紋由一個磁鏈和被周期信號和添加劑的噪音。但是他們沒有考慮這件事,面前加性和乘性的噪音,更是如此，這種添加劑和互反噪聲相關(guān)。我們通過研究網(wǎng)絡電壓,直流伏安特性,平均第一段時

3、間的情況下設備環(huán)境因素引起的攝動,加上熱波動(環(huán)境混亂可能被描述乘法的噪音朗之萬方程, 熱漲落加性高斯白的噪聲.)</p><p>　　在本文中,我們的目標是調(diào)查對電子的運輸存在混沌信號(現(xiàn)在我們將不考慮噪聲)。一些不同尋常的行為導致混沌信號報道:凈電壓、混沌信號的現(xiàn)象產(chǎn)生共鳴。</p><p>　　在不對稱空間運輸周期的潛力棒驅(qū)動力量。這種現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效果。“現(xiàn)在棘輪效應的影響

4、語境中的分子馬達。膠體物質(zhì)是運輸原子的光學的陷阱,顆粒狀物質(zhì),電子傳遞在不對稱幾何學,漩渦運輸和操縱ⅱ超導體,運輸在約瑟夫森結(jié)則。</p><p>　　我們將調(diào)查棘輪系統(tǒng)需進行外部time-oscillatory驅(qū)動零均值的、經(jīng)常存在的偏置的力量。這里的詞:“熱”意味著我們考慮內(nèi)部熱波動在系統(tǒng),來模擬一高斯白噪聲他的力量是成正比的溫度的基礎(chǔ)上,“慣性”是指粒子周期。我們將報告了一些額外的方面的負面的流動性,共振活

5、化、和noise-enhance穩(wěn)定,例如材料的成分出現(xiàn)這些現(xiàn)象,多諧振活化的山峰,當前的逆轉(zhuǎn),noise-weakened穩(wěn)定,等等。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題</p><p>　　1．對分子ratchet器件和Ratchet制冷，棘輪效應等進行文獻調(diào)研。 2．充分理解分子ratchet器件和Ratchet制冷的原理。3．對所了解的情況進行總結(jié)分析，撰

6、寫出論文。</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　對分子ratchet器件和Ratchet制冷，棘輪效應等進行文獻調(diào)研。 充分理解分子ratchet器件和Ratchet制冷的原理。以理解為主。</p><p>　　四、研究的總體安排與進度</p><p>　　2010年12月-2011年1月  

7、 開題報告 2011年1月-2011年3月   文獻搜索，全面研究了解分子ratchet器件和Ratchet制冷的原理。</p><p>　　2011年4月   進行總結(jié)分析，寫出論文。</p><p><b>　　四、主要參考文獻</b></p><p>　　[1] Ji

8、ng-hui Li and Jerzy ?uczka , Faculty of Science, Ningbo University, Ningbo 315211, People’s Republic of China.Institute of Physics, University of Silesia, 40-007 Katowice, Poland(Received 26 May 2009; revised manuscript

9、received 10 June 2010;published 7 October2010)</p><p>　　[2] LI Jing-Hui and HAN Yin-Xia Department of Physics, Ningbo University, Ningbo 315211, China (Received December 16, 2005)</p><p>　　[3]

10、C. Van den Broeck Hasselt University, B-3590 Diepenbeek, Belgium</p><p>　　R. Kawai University of Alabama at Birmingham, Birmingham, Alabama 35294, USA (Received 6 February 2006; published 1 June 2006)S. H.

11、 Lee, K. Ladavac, M. Polin, and D. G. Grier, Phys. Rev.Lett. 94, 110601 _2005_; D. Babi? and C. Bechinger, ibid. 94,148303 _2005_.</p><p>　　E. Lundh and M. Wallin, Phys. Rev. Lett. 94, 110603 _2005_.</p&g

12、t;<p>　　[6] I. Zapata, R. Bartussek, F. Sols, and P. H¨anggi, Phys.Rev. Lett. 77 (1996) 2292.</p><p>　　[7] Jing-Hui Li, Phys. Rev. E 67 (2003) 061110.</p><p>　　[8] J.M. Sancho, S.L.

13、Katz, and J.D. Gunton, Phys. Rev. A 26 (1982) 1589.</p><p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　應用物理</b></p><p>　　分子ratchet器件和Ratchet制冷</p><p>　　最近,人們已

14、經(jīng)越來越感興趣學習網(wǎng)電壓 (例如:一個非零直流電壓與一個零直流電流)和直流伏安特點約瑟夫森結(jié)(超導結(jié))和噪音。據(jù)報道,是對稱的噪聲可生產(chǎn)網(wǎng)電壓、[1,2]和糾正直流電壓。[3,4]我們已經(jīng)知道了相關(guān)的對稱的噪音也能產(chǎn)生凈電壓,[2、5]源于系統(tǒng)的破壞對稱糾紛的加性和乘性之間的相關(guān)性噪音。在文獻[6],薩帕塔、蘇達權(quán)等調(diào)查了直流伏安的特點,為非對稱直流設備有三個約瑟夫森結(jié)則螺紋由一個磁鏈和被周期信號和添加劑的噪音。但是他們沒有考慮這件事,

15、面前加性和乘性的噪音,更是如此，這種添加劑和互反噪聲相關(guān)。在文獻[7]中,我們通過研究網(wǎng)絡電壓,直流伏安特性,平均第一段時間的情況下設備環(huán)境因素引起的攝動,加上熱波動(環(huán)境混亂可能被描述乘法的噪音朗之萬方程, 熱漲落加性高斯白的噪聲.)</p><p>　　以上所述的所有工作的約瑟夫森結(jié)則被集中在運輸引起對電子噪音。生產(chǎn)的原因是對電子運輸系統(tǒng)的對稱性壞了?，F(xiàn)在不對稱系統(tǒng)使概率的波動對雙方的勢壘不同,所以,就對電子

16、的運輸能量在回應的運輸源于對電子噪聲的能量。在本文中,我們的目標是調(diào)查對電子的運輸存在混沌信號(現(xiàn)在我們將不考慮噪聲)。一些不同尋常的行為導致混沌信號報道:凈電壓、混沌信號的現(xiàn)象產(chǎn)生共鳴?！?lt;/p><p>　　在不對稱空間運輸周期的潛力棒驅(qū)動力量。這種現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效果。“現(xiàn)在棘輪效應的影響語境中的分子馬達。膠體物質(zhì)是運輸原子的光學的陷阱,顆粒狀物質(zhì),電子傳遞在不對稱幾何學,漩渦運輸和操縱ⅱ超導體,運輸

17、在約瑟夫森結(jié)則。</p><p>　　我們將調(diào)查棘輪系統(tǒng)需進行外部time-oscillatory驅(qū)動零均值的、經(jīng)常存在的偏置的力量。這里的詞:“熱”意味著我們考慮內(nèi)部熱波動在系統(tǒng),來模擬一高斯白噪聲他的力量是成正比的溫度的基礎(chǔ)上,“慣性”是指粒子周期。我們將報告了一些額外的方面的負面的流動性,共振活化、和noise-enhance穩(wěn)定,例如材料的成分出現(xiàn)這些現(xiàn)象,多諧振活化的山峰,當前的逆轉(zhuǎn),noise-wea

18、kened穩(wěn)定,等等。</p><p>　　我們報導了一些額外的方面負面的流動性,共振活化和noise-enhance穩(wěn)定,如材料出現(xiàn)的這些現(xiàn)象,多諧振活化的山峰,當前的逆轉(zhuǎn),noise-weakened穩(wěn)定性、等的平均速度，速度的棘輪系統(tǒng)thermal-inertial周期信號與恒定偏差周期力量情況。它尚需進一步研究是否我們的結(jié)果出口thermal-inertial棘輪系統(tǒng)。</p><p&

19、gt;<b>　　主要參考文獻</b></p><p>　　[1] Jing-hui Li and Jerzy ?uczka , Faculty of Science, Ningbo University, Ningbo 315211, People’s Republic of China.Institute of Physics, University of Silesia, 40-007

20、 Katowice, Poland(Received 26 May 2009; revised manuscript received 10 June 2010;published 7 October2010)</p><p>　　[2] LI Jing-Hui and HAN Yin-Xia Department of Physics, Ningbo University, Ningbo 315211, Chi

21、na (Received December 16, 2005)</p><p>　　[3] C. Van den Broeck Hasselt University, B-3590 Diepenbeek, Belgium</p><p>　　R. Kawai University of Alabama at Birmingham, Birmingham, Alabama 35294,

22、USA (Received 6 February 2006; published 1 June 2006)S. H. Lee, K. Ladavac, M. Polin, and D. G. Grier, Phys. Rev.Lett. 94, 110601 _2005_; D. Babi? and C. Bechinger, ibid. 94,148303 _2005_.</p><p>　　E. Lundh

23、 and M. Wallin, Phys. Rev. Lett. 94, 110603 _2005_.</p><p>　　[6] I. Zapata, R. Bartussek, F. Sols, and P. H¨anggi, Phys.Rev. Lett. 77 (1996) 2292.</p><p>　　[7] Jing-Hui Li, Phys. Rev. E 67

24、(2003) 061110.</p><p>　　[8] J.M. Sancho, S.L. Katz, and J.D. Gunton, Phys. Rev. A 26 (1982) 1589.</p><p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p>&

25、lt;p>　　分子ratchet器件和ratchet制冷</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　【摘要】本文首先論述ratchet和ratchet器件的概念和工作原理，其中著重指出了系統(tǒng)ratchet現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于系統(tǒng)中存在在不對稱的ratchet勢能。從本質(zhì)上來將，ratchet的形成要歸因于系統(tǒng)對稱操作下的不對稱性。更進一步地，可

26、以歸因于系統(tǒng)中存在ratchet勢能 —---- 一種空間不對稱的勢能。Ratchet系統(tǒng)是一種利用“輸入”與“輸出”方向的不對稱性來實現(xiàn)“功—-能”轉(zhuǎn)化的一種熱力學機制。進而又探究了ratchet制冷的最簡單的動力學模型，并分析了它的運作機制。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】ratchet器件；ratchet制冷；不對稱勢能；工作原理</p><p><b>　　Abstrac

27、t</b></p><p>　　【ABSTRACT】This article first discusses the concepts and works of ratchet devices, which highlights the phenomenon of a ratchet system, is due to the existence in the asymmetric ratchet p

28、otential. Essentially, the formation of ratchet up will due to system of asymmetric symmetric operation. With further can be attributed to ratchet potential energy systems exist -- a space asymmetrical potential energy.

29、Ratchet system is a kind of using "input" and "output" direction to realize the asymmetry of "</p><p>　　【KEYWORDS】ratchet devices; ratchet refrigerator; asymmetric potential; functio

30、n</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要6</b></p><p>　　Abstract6</p><p><b>　　目　錄7</b></p><p><b>　　1緒論1</b>

31、;</p><p><b>　　1.1前言1</b></p><p>　　1.2研究進展1</p><p>　　2ratchet的概念3</p><p>　　3ratchet器件4</p><p>　　3.1Ratchet器件的工作原理4</p><p>

32、;　　3.2ratchet器件類型（部分）6</p><p>　　3.2.1棘輪變速機6</p><p>　　3.2.2基于Ratchet效應的平面納米二極管6</p><p>　　3.2.3Ratchet的生物學，醫(yī)學運用6</p><p>　　4Ratchet勢能與數(shù)值模擬8</p><p>　

33、　4.1什么是Ratchet勢能8</p><p>　　4.2Ratchet勢能的數(shù)值模擬8</p><p>　　5ratchet制冷10</p><p>　　5.1ratchet制冷原理發(fā)展的意義10</p><p>　　5.2ratchet制冷定義及原理10</p><p>　　5.3

34、ratchet制冷和冰箱制冷的區(qū)別………………………………………………………………11</p><p><b>　　6總結(jié)13</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p>　　致謝（宋體，加粗，小二號字，居中）錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄（宋體，

35、加粗，小二號字，居左）錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　眾所周知， 現(xiàn)代社會的迅猛發(fā)展,人們對機械的要求越來越高，很多情況下希望隨機的輸入能獲得單方向的輸出，并且要求這是不可逆的。為了迫切解決這個問題，現(xiàn)在,人們已經(jīng)越來越感興趣學習

36、網(wǎng)電壓，研究非對稱輸運。</p><p>　　非對稱輸運不僅在基礎(chǔ)科學上有很重要的學術(shù)價值,而且在實際應用上也有很誘人的前景,因此引起了物理學各個領(lǐng)域的廣泛興趣。當非對稱輸運出現(xiàn)時,利用確定或隨機的擾動(在長時間范圍內(nèi)平均都為零)就可以產(chǎn)生定向傳輸。</p><p>　　在不對稱空間，運輸周期的潛力棒產(chǎn)生驅(qū)動力量。這種現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效應”。 現(xiàn)在分子馬達影響棘輪效應。顆粒狀膠體物質(zhì)

37、是運輸原子的光學陷阱，電子在不對稱幾何學中傳遞,漩渦，在約瑟夫森結(jié)則運輸和操縱超導體。</p><p>　　這其實就是Ratchet模型，在物理學和生物學中被稱為Ratchet效應。由Ratchet勢模型所建立的hachet動力學還被用來描述一些非常復雜的系統(tǒng)，如超振蕩護模型。</p><p><b>　　研究進展</b></p><p>　　

38、據(jù)報道,對稱的噪聲可產(chǎn)生網(wǎng)電壓、和糾正直流電壓。我們已經(jīng)知道了相關(guān)的對稱的噪音也能產(chǎn)生凈電壓,源于系統(tǒng)的破壞對稱糾紛的加性和乘性之間的相關(guān)性噪音。以上所述的所有工作的約瑟夫森結(jié)則被集中在運輸引起對電子噪音。生產(chǎn)的原因是對電子運輸系統(tǒng)的對稱性破壞?，F(xiàn)在不對稱系統(tǒng)使概率的波動對雙方的勢壘不同,所以,就對電子的運輸能量在回應的運輸，源于對電子噪聲的能量。目前,我們的目標是調(diào)查對電子的運輸存在混沌信號(現(xiàn)在我們將不考慮噪聲)。一些不同尋常的行為

39、導致混沌信號報道:凈電壓、混沌信號的現(xiàn)象產(chǎn)生共鳴。　</p><p>　　總之,我們報導了一些額外的方面，負面的流動性,共振活化和 noise-enhance 穩(wěn)定。如材料出現(xiàn)的這些現(xiàn)象,多諧振活化的山峰，當前的逆轉(zhuǎn)， noise-weakened穩(wěn)定性等的平均速度，棘輪系統(tǒng)thermal -inertial周期信號與恒定偏差周期情況。它尚需進一步研究thermal-inertial棘輪系統(tǒng)。所有的結(jié)果現(xiàn)象的非線

40、性依賴平均再造速度對外界（或內(nèi)部）部分參數(shù)，如價值的持續(xù)不斷的偏移力量、驅(qū)動頻率、噪音強度、等等。此外，人們提出了一些數(shù)字可以顯示最低平均速度和噪聲的力量。</p><p>　　人們慢慢研究出了棘輪變速機，根據(jù)日常生活中各種交通工具振動現(xiàn)象,分析了減少交通工具振動的方法。設計了一種基于基于雙爪棘輪的減振發(fā)電裝置,該裝置充分利用振動過程往復運動的能量,在減少交通工具振動幅度的同時，把振動能量轉(zhuǎn)化成可以實時存儲的電能

41、.同時為用戶設計用電接口,使用方便，操作簡單。該裝置的設計為開發(fā)日常生活中潛在的清潔能源提供了新方法,是一種具有廣闊發(fā)展前景的產(chǎn)品。</p><p>　　采用二維系綜蒙特卡羅方法對平面納米結(jié)構(gòu)的電響應特性進行了詳細地研究。計算結(jié)果表明納米結(jié)構(gòu)加工過程所帶來的表面電荷能夠用來改變納米溝道中的電場分布,從而使得納米溝道中的電勢分布呈現(xiàn)出空間不對稱。由于Ratchet效應,此時通過納米溝道的電子輸運將體現(xiàn)出方向性,這使

42、得該器件具有類似于二極管的電流電壓特性曲線。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu),還可以獲得開啟電壓為零的器件。由于該器件為納米量級,因此具有很快的響應速度。模擬結(jié)果表明在亞太赫茲波段,該器件有不為零的整流信號輸出。</p><p>　　在化學上，分子在三磷酸腺苷的水溶液中，會沿著一定的路徑連續(xù)的運轉(zhuǎn)，這就是分子馬達現(xiàn)象。那么，究竟是什么使得分子可以有這樣的運動性質(zhì)呢？在什么樣的條件下分子馬達可以存在呢？在數(shù)學上， Tilting Ra

43、tchet模型就是被提出來描述分子馬達現(xiàn)象的一種模型。Tilting Ratchet模型描述的過程是具有某種周期性的耦合擴散過程。它描述的是分子在兩種不同的狀態(tài)之間跳動的模型，同時，有外在作用的周期性勢能。存在旋轉(zhuǎn)速率的兩個必要條件：不同狀態(tài)之間的跳動和不對稱的勢能函數(shù)。</p><p>　　ratchet的概念</p><p>　　Ratchet，現(xiàn)在大家越來越喜歡談論ratchet。那

44、到底什么是ratchet？</p><p>　　大家先考慮一個最常見的現(xiàn)象：我們平時騎的自行車，當我們用力向前蹬車時，車車輪向前轉(zhuǎn)；當我們向后蹬車時，車輪不轉(zhuǎn)。這就可以保證，即便是我們的腳隨機的前后蹬車，車都會始終向前運行。自行車的這種設計便利用了所謂的“ratchet效應”：隨機的輸入獲得單方向的輸出，這是不可逆的。而自行車的ratchet使得隨機的輸入角動量獲得單方向的角動量，它本質(zhì)上是一個角速度不對稱的系統(tǒng)

45、。在不對稱空間運輸周期的潛力棒的驅(qū)動力量，這種現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效應”。 </p><p>　　熱力學第二定律，是這么說的，不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。</p><p>　　所以，當我們仔細思考這個能使隨機運動單向轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)時，就立即會發(fā)現(xiàn)一些問題：如果我們將ratc

46、het系統(tǒng)，比如一輛自行車縮小到納米尺度，假設它的一切性能保持不變，那么僅靠空氣分子的熱運動撞擊腳蹬，自行車便會單方向的運行；隨著過程的繼續(xù)，“納米自行車”便越走越快，空氣分子的熱能便毫無保留的單方向的轉(zhuǎn)化成機械能，于是一臺“第二類永動機”就此誕生了。</p><p>　　這顯然是很荒謬的，但是如果想給這個佯謬一個合理的解釋，我們就得從ratchet系統(tǒng)的工作機理來說起.</p><p>

47、<b>　　ratchet器件</b></p><p>　　Ratchet器件的工作原理</p><p>　　為了說明ratchet的工作原理我們先看一個比較簡單的例子：我們試圖發(fā)明一個違反熱力學第二定律的裝置，它是一個能從所有東西都處在相同溫度的熱庫中取出功來的小玩意。如圖（1）所示兩個熱庫溫度分別為，，一根軸穿過這兩個熱庫，右端連著一個葉片，葉片足夠的小，以致能夠

48、在空氣分子的碰撞下自由轉(zhuǎn)動；左端連接一個齒輪，并且被一個稱作掣爪的彈簧片有傾向性的壓住，以使齒輪可以消耗較小的力矩沿著一個方向轉(zhuǎn)動，而同時在彈簧片不翹起的情況下，不會沿反方向發(fā)生轉(zhuǎn)動。為了說明系統(tǒng)所做的機械功，我們在轉(zhuǎn)軸的中部懸掛一個重物，起附加力矩設為。</p><p>　　我們注意到，所有這些能量都完全相等，但符號則相反。這樣，重物或者緩慢升高，或者緩慢放下，取決于這兩個比率中哪一個更大一些。當然，它不斷上下

49、跳動，一會升高，一會降低，但我們講的是平均的行為。</p><p><b>　　圖（1）</b></p><p>　　再次強調(diào)，這個裝置足夠的輕巧，以至于在空氣分子的碰撞下可以運行。由于氣體分子撞在葉片上，葉片會振動和跳動，我們要做的是在軸的另一端套上一個轉(zhuǎn)輪，它只能沿一個方向轉(zhuǎn)動，這就是棘輪和擎爪。然而隨后我們便可以看到問題也就出在這里。</p>&l

50、t;p>　　我們知道，即便左側(cè)的齒輪欲正向轉(zhuǎn)動，也需要先用輪齒將壓在上面的彈簧片頂起，然后再轉(zhuǎn)過一個小角度。抬起彈簧片至一個輪齒的高度是需要做功的，我們設其為；又若此時齒輪轉(zhuǎn)過一個角度，則系統(tǒng)對外所做的機械功為，而根據(jù)能量守恒，右側(cè)的熱庫輸入的功至少應為，根據(jù)熱力學定律，此事件發(fā)生的概率應為 其中 是歸一化常數(shù)。</p><p>　　同時我們可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)熱庫的分子也在不斷地撞擊著齒輪和彈簧片，而使得彈簧片

51、由于布朗運動不斷地抬起和落下，而在彈簧片被分子撞擊而抬起高過一個輪齒的時間內(nèi)，齒輪既有可能向前轉(zhuǎn)動，也有可能向后轉(zhuǎn)動，即此時掣爪處于“失靈狀態(tài)”，在熱力學中，此事件發(fā)生的概率為。假如對于某個特定的重物，重物的大小正好使這兩個事件發(fā)生的概率剛好相等，重物質(zhì)量的微小改變，會導致ratchet系統(tǒng)相應的微小變化，此時這個熱機便構(gòu)成了一個可逆的“卡諾熱機”，這個平衡條件為：。假如系統(tǒng)緩緩提起重物，葉片取得的熱量為，釋放給齒輪的熱量為，這兩個能量

52、之比為，假如我們緩緩的降低重物，也會有，因此， 更直觀的說明亦可見下表。</p><p>　　此外，我們所得出的功與葉片取得的能量之比和與之比相同，因此也就是。 顯然，以上分析表明，當時，系統(tǒng)正常工作，正向運動的概率與反常工作，反向運轉(zhuǎn)的概率皆為，因此，空氣中的“納米自行車”由于各部分溫度相同而不會單方向運動。</p><p>　　ratchet器件類型（部分）</p>&l

53、t;p><b>　　棘輪變速機</b></p><p>　　人們慢慢研究出了棘輪變速機，根據(jù)日常生活中各種交通工具振動現(xiàn)象,分析了減少交通工具振動的方法.設計了一種基于雙爪棘輪的減振發(fā)電裝置,該裝置充分利用振動過程往復運動的能量,在減少交通工具振動幅度的同時,把振動能量轉(zhuǎn)化成可以實時存儲的電能.同時為用戶設計用電接口,使用方便,操作簡單.該裝置的設計為開發(fā)日常生活中潛在的清潔能源提供了

54、新方法,是一種具有廣闊發(fā)展前景的產(chǎn)品。</p><p>　　基于Ratchet效應的平面納米二極管</p><p>　　采用二維系綜蒙特卡羅方法對平面納米結(jié)構(gòu)的電響應特性進行了詳細地研究。計算結(jié)果表明納米結(jié)構(gòu)加工過程所帶來的表面電荷能夠用來改變納米溝道中的電場分布,從而使得納米溝道中的電勢分布呈現(xiàn)出空間不對稱。由于Ratchet效應,此時通過納米溝道的電子輸運將體現(xiàn)出方向性,這使得該器件具

55、有類似于二極管的電流電壓特性曲線。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu),還可以獲得開啟電壓為零的器件。由于該器件為納米量級,因此具有很快的響應速度。模擬結(jié)果表明在亞太赫茲波段,該器件有不為零的整流信號輸出。</p><p>　　Ratchet的生物學，醫(yī)學運用</p><p>　　preproteins展開和導入到線粒體是得益于一個分子馬達的熱休克蛋白70(Hsp70)在矩陣中起著至關(guān)重要的作用。首先,prepr

56、oteins含有無限的谷氨酸(polyE)或甘氨酸(polyG)重復前面是折疊領(lǐng)域引入到線粒體。雖然不能將這發(fā)生在這些延伸Hsp70展開折疊的領(lǐng)域,因為它不綁定polyE和polyG。其次,preproteins含有肌聯(lián)蛋白免疫球蛋白(搞笑)式的領(lǐng)域是進口到線粒體,盡管事實是力量的pN需要200 >機械展這些領(lǐng)域。自從分子馬達產(chǎn)生力量,Hsp70 5不能促進半導體器件的Ig-like域而展開的機械拉動。我們的觀察表明Hsp70的一

57、個要素,作為布朗棘輪,介導展開和易位的線粒體膜preproteins穿過。</p><p>　　醫(yī)學上，我們測量量子棘輪效應的旋渦朝著準一維Josephson結(jié)陣列。在這固態(tài)器件的形狀渦勢能，因此，能帶結(jié)構(gòu)，可以準確地設計。這一帶結(jié)構(gòu)決定了存在或不存在的量子棘輪效應。特別是，非對稱結(jié)構(gòu)，只有一個帶擁有以下的屏障不展示當前整頓在低溫和偏置電流。量子性質(zhì)的運輸也顯示在一個普遍/ nonuniversal冪律依賴的測量

58、電壓，電流特性的樣品無/與整改。</p><p>　　Ratchet勢能與數(shù)值模擬</p><p>　　什么是Ratchet勢能</p><p>　　上面提過，“ratchet效應”，即隨機的輸入獲得單方向的輸出，這是不可逆的。而自行車的ratchet使得隨機的輸入角動量獲得單方向的角動量，它本質(zhì)上是一個角速度不對稱的系統(tǒng)。在不對稱空間運輸周期的潛力棒驅(qū)動力量，這種

59、現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效應”。 </p><p>　　從本質(zhì)上來講，ratchet的形成要歸因于系統(tǒng)對稱操作下的不對稱性。跟進一步地，可以歸因于系統(tǒng)中存在ratchet勢能 —---- 一種空間不對稱的勢能。Ratchet系統(tǒng)是一種利用“輸入”與“輸出”方向的不對稱性來實現(xiàn)“功—-能”轉(zhuǎn)化的一種熱力學機制。</p><p>　　Ratchet勢能的數(shù)值模擬</p><p

60、>　　比如上例中我們可以將系統(tǒng)在“正常工作”下的勢能寫作：</p><p>　　上述模型是一個“思想模型”，結(jié)構(gòu)有些理性化，并且有些復雜。在實際研究中，我們常常采用一些更本質(zhì)，更簡單的模型去研究ratchet現(xiàn)象，比如一維隨機模型。</p><p>　　其動力學方程可寫為：</p><p><b>　?。?）</b></p>

61、<p>　　周期性ratchet勢能為：</p><p><b>　　（2）</b></p><p><b>　　并且有</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　如圖（2）</b></p>

62、<p><b>　　圖（2）</b></p><p>　　上述動力學方程中，是來自熱運動白噪聲的漲落力，它滿足如下條件：</p><p><b>　　1）平均值為零：</b></p><p><b>　　（4）</b></p><p>　　2）漲落—擴散定理：<

63、;/p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　事實上，對于很多動力學系統(tǒng)，（1）式中的往往可以忽略不計，于是（1）式可改寫為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　如果要對上式進行數(shù)值模擬，還可進行進一步的操作：</p><p>&l

64、t;b>　　令隨機步長，且</b></p><p>　　則（6）式改寫為離散的形式：</p><p><b>　　（7）</b></p><p>　　同時可以注意到，漲落力的二階矩并非無窮大，而是</p><p><b>　?。?）</b></p><p>

65、　　這樣，我們就可以通過選取特定的時間長度來數(shù)值模擬一維情況下的ratchet模型。</p><p><b>　　ratchet制冷</b></p><p>　　ratchet制冷原理發(fā)展的意義</p><p>　　冷卻技術(shù)不僅對我們的日常生活中，對科技進展都產(chǎn)生了重大的影響。很長時間以來，當我們出汗, 身體蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生冷卻液。在國內(nèi)冰箱、高科

66、技的冷卻方法有激光冷卻、磁制冷、輻射冷卻、和量子冷卻。大家都知道，溫度是可以直接測量，而熱的波動,是不能直接觀測的。但近年來，納米技術(shù)和分子生物學,卻使這種事情變得可能。我們能夠操縱,甚至制造一個分子標度,在那里熱波動可能不再被忽略。運行這樣的機器,我們可以從他們的宏觀運行相對應復制他們的模式</p><p>　　另一種可能更有前途的方法,就是利用熱波動,而不是與他們對抗。例如布朗馬達，通過力量改變來影響熱波動。

67、基于微觀冷卻布朗馬達在其中,這就更突出了ratchet制冷的發(fā)展意義。</p><p>　　ratchet制冷定義及原理</p><p>　　我們都知道，對于一般的熱機，比如卡諾熱機，其正循環(huán)可以通過兩個熱源的溫差來產(chǎn)生機械功，其逆循環(huán)則可以利用機械功來提高兩個熱源的溫差，于是從某種意義上來講，這便產(chǎn)生了一個制冷的機制，這是一個普遍的現(xiàn)象，可以當做熱力學第二定律的一個推論看待。顯然，之前我

68、們所討論的ratchet熱機，其逆過程便是一個微觀的制冷機，這便是ratchet制冷。</p><p>　　機械總是越簡單的效率反而越高。況且作為微觀的機械，越是擁有簡單的模型結(jié)構(gòu)就越是易于實現(xiàn)和進行理論分析。這里我們討論一個只有兩個元件組成的單結(jié)構(gòu)ratchet制冷機模型，它是由C. Van den Broeck, R. Kawai 和 P. Meurs 于2004年提出的。如圖（3）所示，這個制冷機是由一個頂

69、角為的“三棱柱”和一個“漿”連接而成，在兩個熱源之間形成一個不對稱的ratchet機制。</p><p><b>　　圖（3）</b></p><p>　　為了直觀的說明一下這個制冷機的工作原理，我們先討論下它的一個最簡單的逆過程：在圖b的上方的熱源中，分子固定不動即，分子質(zhì)量為；下方熱源中溫度，分子以速度運動（），每個分子的質(zhì)量為；熱機系統(tǒng)的總質(zhì)量為。假設所有的碰撞

70、都是完全彈性的，當某一時刻，下方熱源的一個分子向左撞擊“漿”時，ratchet以向左運動，當它與上方靜止的一個分子發(fā)生水平碰撞時，獲得的動量為（向右）；當下方的分子向右撞擊“漿”時，ratchet以向左運動，當它與上方靜止的一個分子發(fā)生水平碰撞時，獲得的動量為（向左），于是在隨機運動的驅(qū)動下，ratchet以的動量向右運動，這便是該ratchet系統(tǒng)運動不對稱的機制。</p><p>　　對于一般的情況，我們有此

71、熱機平均移動速度與溫度的關(guān)系式：</p><p><b>　　（9）</b></p><p>　　可見，當時，熱機向右移動；當時，熱機向左移動。</p><p>　　進而我們可以繼續(xù)探討ratchet的制冷機制。由于在熱力學中，熱流動力定義為；熱流，在溫差不大的情況下，令，上式化簡為：</p><p><b>

72、　?。?0）</b></p><p>　　便是外界的策動力，這也就是ratchet的制冷機制。當然，在實際操作中，我們還要考慮ratchet制冷機自身的熱導和摩擦熱，因此ratchet制冷機的機械效率需要進一步的計算和模擬。</p><p>　　下圖便是對上述ratchet實際制造的一種可能的構(gòu)想。</p><p><b>　　圖（4）<

73、/b></p><p>　　同時，我們對策動力也有一定的限制：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　由一些鑲嵌成旋轉(zhuǎn)運動的力量;看見兩極分化的（圖4）。這樣就能做到一邊冷卻并一邊加熱，可以說是布朗冰箱。加熱后的系統(tǒng)predesigned的路子，也可能應用于分子生物學。</p><p>

74、　　5.3 Ratchet制冷和冰箱制冷的區(qū)別</p><p>　　電冰箱是利用液體（氟利昂）相變過程中吸熱和放熱來實現(xiàn)制冷的：即液體在壓強較小的低溫熱源吸熱并蒸發(fā)成氣體，氣體又流入壓強較大的高溫熱源凝結(jié)成液體并放出熱量，這樣的循環(huán)便實現(xiàn)了電冰箱的制冷。 而ratchet本質(zhì)上是一個微觀系統(tǒng)的熱機，它將高溫熱源的分子無規(guī)則熱運動轉(zhuǎn)化為低溫熱源的機械功，同時伴隨著高溫熱源溫度的下降和低溫熱源溫度的升高；這

75、個過程是可逆的，也就是說，如果我們在低溫熱源施加一定的機械功，讓ratchet逆轉(zhuǎn)，那么低溫熱源的溫度就會下降，而高溫熱源的溫度就會升高，從而實現(xiàn)制冷。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文主要研究了分子ratchet的機理，ratchet勢能模擬，及其ratchet制冷的各方面問題，得出以下結(jié)論：</p><p>

76、;　　1.Ratchet系統(tǒng)是一種利用“輸入”與“輸出”方向的不對稱性來實現(xiàn)“功—-能”轉(zhuǎn)化的一種熱力學機制，在具體的系統(tǒng)中，這一機制可以靠系統(tǒng)的不對稱的ratchet勢能來實現(xiàn)。但從本質(zhì)上來講，則個機制仍然逃不出熱力學定律——尤其是第二定律的限制；以上的分析不僅驗證了熱力學第二定律的正確性，同時也啟示我們，宏觀的機械原理想要應用到微觀領(lǐng)域，有一些是要失效的，如果不考慮微觀世界的隨機性或者不確定性，有時會得到荒謬的結(jié)果。</p&g

77、t;<p>　　當然，反過來講，如果我們能充分利用微觀領(lǐng)域的不確定機制，也會得到一些有意義的宏觀效應。近年來備受關(guān)注的超導體中不對稱勢所產(chǎn)生的Josephson結(jié)便是一個很好的例子。</p><p>　　2. 我們都知道，對于一般的熱機，比如卡諾熱機，其正循環(huán)可以通過兩個熱源的溫差來產(chǎn)生機械功，其逆循環(huán)則可以利用機械功來提高兩個熱源的溫差，于是從某種意義上來講，這便產(chǎn)生了一個制冷的機制，這是一個普遍

78、的現(xiàn)象，可以當做熱力學第二定律的一個推論看待。顯然，之前我們所討論的ratchet熱機，其逆過程便是一個微觀的制冷機，這便是ratchet制冷。</p><p>　　機械總是越簡單的效率反而越高。況且作為微觀的機械，越是擁有簡單的模型結(jié)構(gòu)就越是易于實現(xiàn)和進行理論分析。這里我們討論一個只有兩個元件組成的單結(jié)構(gòu)ratchet制冷機模型，它是由C. Van den Broeck, R. Kawai 和 P. Meurs

79、 于2004年提出的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　The Feynman Lectures on Physics R. P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands Addison-Wesley Publishing Company， 1964</p><p>　　P. Rie

80、mann / Physics Reports 361 (2002) 57—265</p><p>　　C. Van den Broeck, R. Kawai Brownian Refrigerator PRL 96, 210601 (2006)</p><p>　　Jing-hui Li and Jerzy ?uczka Thermal-inertial ratchet effect

81、s: Negative mobility, resonant activation, noise-enhanced stability, and noise-weakened stability PHYSICAL REVIEW E 82, 041104 (2010)</p><p>　　LI Jing-Hui and HAN Yin-Xia Net Voltage and Phenomenon of Reson

82、ance Induced by Chaotic Signal for a Superconducting Junctions Device Commun. Theor. Phys. (Beijing, China) 46 (2006) pp. 647–650</p><p>　　熱力學、統(tǒng)計物理 汪志誠 高等教育出版社</p><p>　　固體物理基礎(chǔ) 閻守勝 北京大學出版社

83、</p><p>　　熱力學、氣體運動論和統(tǒng)計力學 吳大猷 中國科學技術(shù)出版社</p><p>　　朗道理論物理教程之統(tǒng)計物理學（Ⅰ）Landau, Lifshitz 高等教育出版社</p><p>　　S. H. Lee, K. Ladavac, M. Polin, and D. G. Grier, Phys. Rev.Lett. 94, 110601 (2005

84、); D. Babi? and C. Bechinger, ibid. 94,148303 (2005)</p><p>　　E. Lundh and M. Wallin, Phys. Rev. Lett. 94, 110603 (2005).</p><p>　　C.W. Gardiner, Handkook of Stochastic Method for Physics, Chemi

85、stry and the Natural Sciences, Springer-Verlag, Berlin (1983).</p><p>　　Net Voltage and Phenomenon of Resonance Induced by Chaotic Signal for a Superconducting Junctions DeviceLI Jing-Hui and HAN Yin-Xia De

86、partment of Physics, Ningbo University, Ningbo 315211, China(Received December 16, 2005)</p><p>　　Brownian Refrigerator C. Van den Broeck Hasselt University, B-3590 Diepenbeek, Belgium R. Kawai University of

87、 Alabama at Birmingham, Birmingham, Alabama 35294, USA (Received 6 February 2006; published 1 June 2006)</p><p>　　Thermal-inertial ratchet effects: Negative mobility, resonant activation, noise-enhanced stab

88、ility, and noise-weakened stability Jing-hui Li1 and Jerzy ?uczka[2 1]Faculty of Science, Ningbo University, Ningbo 315211, People’s Republic of China 2Institute of Physics, University of Silesia, 40-007 Katowice, Poland

89、 Received 26 May 2009; revised manuscript received 10 June 2010; published 7 October (2010).</p><p>　　P. Jung, J.G. Kissner, and P. H¨anggi, Phys. Rev. Lett. 76(1996) 3436; R. Bartussek, P. H¨anggi

90、, and J. G. Kissner,Europhys. Lett. 28 (1994) 459; B. Linder, et al., Phys.Rev. E 59 (1999) 1417.</p><p>　　R. Benzi, A. Sutera, and A. Vuljuani, J. Phys. A 14(1981) L453; B. McNamara and K. Wiesenfeld, Phys.