Destructive effect of fluctuations on the performance of a Brownian gyrator

The Brownian gyrator (BG) is a minimal model of a nano-engine performing a rotational motion, judging solely upon the fact that in non-equilibrium conditions its torque, angular momentum ${\cal L}$ and angular velocity $\cal W$ have non-zero mean values. For a time-discretized model, we calculate the previously unknown probability density functions (PDFs) of ${\cal L}$ and $\cal W$. We find that when the time-step $\delta t \to 0$, both PDFs converge to uniform distributions with diverging variances. For finite $\delta t$, the PDF of ${\cal L}$ has exponential tails and all moments, but its noise-to-signal ratio is generically much bigger than $1$. The PDF of ${\cal W}$ exhibits heavy power-law tails and its mean ${\cal W}$ is the only existing moment. The BG is therefore not an engine in common sense: it does not exhibit regular rotations on each run and its fluctuations are not only a minor nuisance. Our theoretical predictions are confirmed by numerical simulations and experimental data. We discuss some improvements of the model which may result in a more systematic behavior.Comment: 5 pages +SM 11 page

Roadmap for Optical Tweezers 2023

Optical tweezers are tools made of light that enable contactless pushing, trapping, and manipulation of objects ranging from atoms to space light sails. Since the pioneering work by Arthur Ashkin in the 1970s, optical tweezers have evolved into sophisticated instruments and have been employed in a broad range of applications in life sciences, physics, and engineering. These include accurate force and torque measurement at the femtonewton level, microrheology of complex fluids, single micro- and nanoparticle spectroscopy, single-cell analysis, and statistical-physics experiments. This roadmap provides insights into current investigations involving optical forces and optical tweezers from their theoretical foundations to designs and setups. It also offers perspectives for applications to a wide range of research fields, from biophysics to space exploration

Thermodynamics of microscopic environments: From anomalous diffusion to heat engines

Till skillnad från deras makroskopiska motsvarigheter utvecklas inte mikroskopiska system deterministiskt på grund av inverkan från termiskt brus. Sådana system är föremål för fluktuationer som endast kan studeras inom ramen för stokastisk termodynamik. Under de senaste decennierna har utvecklingen av stokastisk termodynamik lett till mikroskopiska värmemotorer, icke-jämviktsförhållanden, studien av avvikande diffusion och aktiv Brownsk-rörelse. I denna avhandling visar jag experimentellt att icke-Boltzmann-statistik dyker upp i system som är kopplade till ett aktivt bad. Denna icke-Boltzmann-statistik som härrör från korrelerat aktivt brus stör också icke jämvikts förhållandena. Ändå visar jag att dessa relationer kan återställas med en effektiv potential metod. Därefter demonstrerar jag en experimentell implementation av en mikroskopisk värmemotor. Denna motor, som kallas för den Brownska-gyratorn, är kopplad till två olika värmebad längs vinkelräta riktningar. Jag visar att när den är innesluten i en elliptisk fälla som inte är anpassad till temperaturanisotropin, är den Brownska partikeln utsatt för ett vridmoment på grund av symmetribrottet. Detta vridmoment skapar en autonom motor vars riktning och amplitud kan kontrolleras genom att justera orienteringen på den elliptiska fällan. Sedan visar jag att de kraftfält som verkar på Browniska partiklar kan kalibreras med en datadriven metod som överträffar de befintliga kalibreringsmetoderna. Än viktigare, jag visar att den här metoden, med namnet DeepCalib, kan kalibrera icke-konservativa och tidsvarierande kraftfält för vilka det saknas standardiserade kalibreringsmetoder. Slutligen visar jag att en liknande metod baserad på maskininlärning kan användas för att karakterisera avvikande diffusion från enstaka banor. Denna metod, kallad RANDI, är mycket mångsidig och fungerar bra i olika uppgifter inklusive klassificering, skattning och segmentering av avvikande diffusion. Arbetet som presenteras i denna avhandling presenterar nya experiment som främjar mikroskopisk termodynamik samt nyutvecklade metoder vilka öppnar upp nya möjligheter att analysera stokastiska banor. Dessa resultat har ökat den vetenskapliga kunskapen i sambanden mellan mikroskopisk termodynamik, avvikande diffusion, aktiv materia och maskininlärning

Aktif banyolarda boltzmann dışı durgun dağılımlar ve denge dışı termodinamik yasaları

Cataloged from PDF version of article.Thesis (M.S.): Bilkent University, Department of Physics, İhsan Doğramacı Bilkent University, 2016Includes bibliographical references (leaves 62-73).Most natural and engineered processes, such as biomolecular reactions, protein folding, and population dynamics, occur far from equilibrium and, therefore, can- not be treated within the framework of classical equilibrium thermodynamics. Here, we experimentally study how some fundamental thermodynamic quantities and relations are affected by the presence of the non-equilibrium uctuations as- sociated with an active bath. We show, in particular, that, as the confinement of the particle increases, the stationary probability distribution of a Brownian particle confined within a harmonic potential becomes non-Boltzmann, featuring a transition from a Gaussian distribution to a heavy-tailed distribution. Because of this, non-equilibrium relations (e.g. Jarzynski equality, Crooks uctuation the- orem) cannot be applied. We show that these relations can be restored by using the effective potential associated with the stationary probability distribution. We corroborate our experimental findings with theoretical arguments.by Aykut Argun.M.S

Thermodynamics of microscopic environments: From anomalous diffusion to heat engines

Till skillnad från deras makroskopiska motsvarigheter utvecklas inte mikroskopiska system deterministiskt på grund av inverkan från termiskt brus. Sådana system är föremål för fluktuationer som endast kan studeras inom ramen för stokastisk termodynamik. Under de senaste decennierna har utvecklingen av stokastisk termodynamik lett till mikroskopiska värmemotorer, icke-jämviktsförhållanden, studien av avvikande diffusion och aktiv Brownsk-rörelse. I denna avhandling visar jag experimentellt att icke-Boltzmann-statistik dyker upp i system som är kopplade till ett aktivt bad. Denna icke-Boltzmann-statistik som härrör från korrelerat aktivt brus stör också icke jämvikts förhållandena. Ändå visar jag att dessa relationer kan återställas med en effektiv potential metod. Därefter demonstrerar jag en experimentell implementation av en mikroskopisk värmemotor. Denna motor, som kallas för den Brownska-gyratorn, är kopplad till två olika värmebad längs vinkelräta riktningar. Jag visar att när den är innesluten i en elliptisk fälla som inte är anpassad till temperaturanisotropin, är den Brownska partikeln utsatt för ett vridmoment på grund av symmetribrottet. Detta vridmoment skapar en autonom motor vars riktning och amplitud kan kontrolleras genom att justera orienteringen på den elliptiska fällan. Sedan visar jag att de kraftfält som verkar på Browniska partiklar kan kalibreras med en datadriven metod som överträffar de befintliga kalibreringsmetoderna. Än viktigare, jag visar att den här metoden, med namnet DeepCalib, kan kalibrera icke-konservativa och tidsvarierande kraftfält för vilka det saknas standardiserade kalibreringsmetoder. Slutligen visar jag att en liknande metod baserad på maskininlärning kan användas för att karakterisera avvikande diffusion från enstaka banor. Denna metod, kallad RANDI, är mycket mångsidig och fungerar bra i olika uppgifter inklusive klassificering, skattning och segmentering av avvikande diffusion. Arbetet som presenteras i denna avhandling presenterar nya experiment som främjar mikroskopisk termodynamik samt nyutvecklade metoder vilka öppnar upp nya möjligheter att analysera stokastiska banor. Dessa resultat har ökat den vetenskapliga kunskapen i sambanden mellan mikroskopisk termodynamik, avvikande diffusion, aktiv materia och maskininlärning

Non-Boltzmann stationary distributions and nonequilibrium relations in active baths

Most natural and engineered processes, such as biomolecular reactions, protein folding, and population dynamics, occur far from equilibrium and therefore cannot be treated within the framework of classical equilibrium thermodynamics. Here we experimentally study how some fundamental thermodynamic quantities and relations are affected by the presence of the nonequilibrium fluctuations associated with an active bath. We show in particular that, as the confinement of the particle increases, the stationary probability distribution of a Brownian particle confined within a harmonic potential becomes non-Boltzmann, featuring a transition from a Gaussian distribution to a heavy-tailed distribution. Because of this, nonequilibrium relations (e.g., the Jarzynski equality and Crooks fluctuation theorem) cannot be applied. We show that these relations can be restored by using the effective potential associated with the stationary probability distribution. We corroborate our experimental findings with theoretical arguments