TY - JOUR A1 - Wang, Qiong A1 - Mosconi, Edoardo A1 - Wolff, Christian Michael A1 - Li, Junming A1 - Neher, Dieter A1 - De Angelis, Filippo A1 - Suranna, Gian Paolo A1 - Grisorio, Roberto A1 - Abate, Antonio T1 - Rationalizing the molecular design of hole-selective contacts to improve charge extraction in Perovskite solar cells JF - dvanced energy materials N2 - Two new hole selective materials (HSMs) based on dangling methylsulfanyl groups connected to the C-9 position of the fluorene core are synthesized and applied in perovskite solar cells. Being structurally similar to a half of Spiro-OMeTAD molecule, these HSMs (referred as FS and DFS) share similar redox potentials but are endowed with slightly higher hole mobility, due to the planarity and large extension of their structure. Competitive power conversion efficiency (up to 18.6%) is achieved by using the new HSMs in suitable perovskite solar cells. Time-resolved photoluminescence decay measurements and electrochemical impedance spectroscopy show more efficient charge extraction at the HSM/perovskite interface with respect to Spiro-OMeTAD, which is reflected in higher photocurrents exhibited by DFS/FS-integrated perovskite solar cells. Density functional theory simulations reveal that the interactions of methylammonium with methylsulfanyl groups in DFS/FS strengthen their electrostatic attraction with the perovskite surface, providing an additional path for hole extraction compared to the sole presence of methoxy groups in Spiro-OMeTAD. Importantly, the low-cost synthesis of FS makes it significantly attractive for the future commercialization of perovskite solar cells. KW - hole extraction KW - hole selective materials KW - perovskite solar cells KW - sulfur KW - triple-cation perovskite Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/aenm.201900990 SN - 1614-6832 SN - 1614-6840 VL - 9 IS - 28 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Doerries, Timo J. A1 - Chechkin, Aleksei A1 - Schumer, Rina A1 - Metzler, Ralf T1 - Rate equations, spatial moments, and concentration profiles for mobile-immobile models with power-law and mixed waiting time distributions JF - Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics N2 - We present a framework for systems in which diffusion-advection transport of a tracer substance in a mobile zone is interrupted by trapping in an immobile zone. Our model unifies different model approaches based on distributed-order diffusion equations, exciton diffusion rate models, and random-walk models for multirate mobile-immobile mass transport. We study various forms for the trapping time dynamics and their effects on the tracer mass in the mobile zone. Moreover, we find the associated breakthrough curves, the tracer density at a fixed point in space as a function of time, and the mobile and immobile concentration profiles and the respective moments of the transport. Specifically, we derive explicit forms for the anomalous transport dynamics and an asymptotic power-law decay of the mobile mass for a Mittag-Leffler trapping time distribution. In our analysis we point out that even for exponential trapping time densities, transient anomalous transport is observed. Our results have direct applications in geophysical contexts, but also in biological, soft matter, and solid state systems. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevE.105.014105 SN - 2470-0045 SN - 2470-0053 VL - 105 IS - 1 PB - The American Institute of Physics CY - Woodbury, NY ER - TY - THES A1 - Jaster, Nicole T1 - Ratchet models of molecular motors N2 - Transportvorgänge in und von Zellen sind von herausragender Bedeutung für das Überleben des Organismus. Muskeln müssen sich kontrahieren können, Chromosomen während der Mitose an entgegengesetzte Enden der Zelle bewegt und Organellen, das sind von Membranen umschlossene Kompartimente, entlang molekularer Schienen transportiert werden. Molekulare Motoren sind Proteine, deren Hauptaufgabe es ist, andere Moleküle zu bewegen. Dazu wandeln sie die bei der ATP-Hydrolyse freiwerdende chemische Energie in mechanische Arbeit um. Die Motoren des Zellskeletts gehören zu den drei Superfamilien Myosin, Kinesin und Dynein. Ihre Schienen sind Filamente des Zellskeletts, Actin und die Microtubuli. In dieser Arbeit werden stochastische Modelle untersucht, welche dazu dienen, die Fortbewegung dieser linearen molekularen Motoren zu beschreiben. Die Skala, auf der wir die Bewegung betrachten, reicht von einzelnen Schritten eines Motorproteins bis in den Bereich der gerichteten Bewegung entlang eines Filaments. Ein Einzelschritt überbrückt je nach Protein etwa 10 nm und wird in ungefähr 10 ms zurückgelegt. Unsere Modelle umfassen M Zustände oder Konformationen, die der Motor annehmen kann, während er sich entlang einer eindimensionalen Schiene bewegt. An K Orten dieser Schiene sind Übergänge zwischen den Zuständen möglich. Die Geschwindigkeit des Proteins lässt sich in Abhängigkeit von den vertikalen Übergangsraten zwischen den einzelnen Zuständen analytisch bestimmen. Wir berechnen diese Geschwindigkeit für Systeme mit bis zu vier Zuständen und Orten und können weiterhin eine Reihe von Regeln ableiten, die uns einschätzen helfen, wie sich ein beliebiges vorgegebenes System verhalten wird. Darüber hinaus betrachten wir entkoppelte Subsysteme, also einen oder mehrere Zustände, die keine Verbindung zum übrigen System haben. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit kann ein Motor einen Zyklus von Konformationen durchlaufen, mit einer anderen Wahrscheinlichkeit einen davon unabhängigen anderen. Aktive Elemente werden in realen Transportvorgängen durch Motorproteine nicht auf die Übergänge zwischen den Zuständen beschränkt sein. In verzerrten Netzwerken oder ausgehend von der diskreten Mastergleichung des Systems können auch horizontale Raten spezifiziert werden und müssen weiterhin nicht mehr die Bedingungen der detaillierten Balance erfüllen. Damit ergeben sich eindeutige, komplette Pfade durch das jeweilige Netzwerk und Regeln für die Abhängigkeit des Gesamtstroms von allen Raten des Systems. Außerdem betrachten wir die zeitliche Entwicklung für vorgegebene Anfangsverteilungen. Bei Enzymreaktionen gibt es die Idee des Hauptpfades, dem diese bevorzugt folgen. Wir bestimmen optimale Pfade und den maximalen Fluss durch vorgegebene Netzwerke. Um darüber hinaus die Geschwindigkeit des Motors in Abhängigkeit von seinem Treibstoff ATP angeben zu können, betrachten wir mögliche Reaktionskinetiken, die den Zusammenhang zwischen den unbalancierten Übergangsraten und der ATP-Konzentration bestimmen. Je nach Typ der Reaktionskinetik und Anzahl unbalancierter Raten ergeben sich qualitativ unterschiedliche Verläufe der Geschwindigkeitskurven in Abhängigkeit von der ATP-Konzentration. Die molekularen Wechselwirkungspotentiale, die der Motor entlang seiner Schiene erfährt, sind unbekannt.Wir vergleichen unterschiedliche einfache Potentiale und die Auswirkungen auf die Transportkoeffizienten, die sich durch die Lokalisation der vertikalen Übergänge im Netzwerkmodell im Vergleich zu anderen Ansätzen ergeben. N2 - Transport processes in and of cells are of major importance for the survival of the organism. Muscles have to be able to contract, chromosomes have to be moved to opposing ends of the cell during mitosis, and organelles, which are compartments enclosed by membranes, have to be transported along molecular tracks. Molecular motors are proteins whose main task is moving other molecules.For that purpose they transform the chemical energy released in the hydrolysis of ATP into mechanical work. The motors of the cytoskeleton belong to the three super families myosin, kinesin and dynein. Their tracks are filaments of the cytoskeleton, namely actin and the microtubuli. Here, we examine stochastic models which are used for describing the movements of these linear molecular motors. The scale of the movements comprises the regime of single steps of a motor protein up to the directed walk along a filament. A single step bridges around 10 nm, depending on the protein, and takes about 10 ms, if there is enough ATP available. Our models comprise M states or conformations the motor can attain during its movement along a one-dimensional track. At K locations along the track transitions between the states are possible. The velocity of the protein depending on the transition rates between the single states can be determined analytically. We calculate this velocity for systems of up to four states and locations and are able to derive a number of rules which are helpful in estimating the behaviour of an arbitrary given system. Beyond that we have a look at decoupled subsystems, i.e., one or a couple of states which have no connection to the remaining system. With a certain probability a motor undergoes a cycle of conformational changes, with another probability an independent other cycle. Active elements in real transport processes by molecular motors will not be limited to the transitions between the states. In distorted networks or starting from the discrete Master equation of the system, it is possible to specify horizontal rates, too, which furthermore no longer have to fulfill the conditions of detailed balance. Doing so, we obtain unique, complete paths through the respective network and rules for the dependence of the total current on all the rates of the system. Besides, we view the time evolutions for given initial distributions. In enzymatic reactions there is the idea of a main pathway these reactions follow preferably. We determine optimal paths and the maximal flow for given networks. In order to specify the dependence of the motor's velocity on its fuel ATP, we have a look at possible reaction kinetics determining the connection between unbalanced transitions rates and ATP-concentration. Depending on the type of reaction kinetics and the number of unbalanced rates, we obtain qualitatively different curves connecting the velocity to the ATP-concentration. The molecular interaction potentials the motor experiences on its way along its track are unknown. We compare different simple potentials and the effects the localization of the vertical rates in the network model has on the transport coefficients in comparison to other models. KW - Molekularer Motor KW - stochastische Ratsche KW - Motorzyklus KW - stochastisches Netzwerk KW - Motorgeschwindigkeit KW - molecular motor KW - stochastic ratchet KW - motor cycle KW - stochastic network KW - motor velocity Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000867 ER - TY - JOUR A1 - Woodfield, Emma E. A1 - Glauert, Saraha A. A1 - Menietti, J. Douglas A1 - Averkamp, Terrance F. A1 - Horne, Richard B. A1 - Shprits, Yuri T1 - Rapid Electron Acceleration in Low‐Density Regions of Saturn's Radiation Belt by Whistler Mode Chorus Waves JF - Geophysical research letters N2 - Electron acceleration at Saturn due to whistler mode chorus waves has previously been assumed to be ineffective; new data closer to the planet show it can be very rapid (factor of 104 flux increase at 1 MeV in 10 days compared to factor of 2). A full survey of chorus waves at Saturn is combined with an improved plasma density model to show that where the plasma frequency falls below the gyrofrequency additional strong resonances are observed favoring electron acceleration. This results in strong chorus acceleration between approximately 2.5 R-S and 5.5 R-S outside which adiabatic transport may dominate. Strong pitch angle dependence results in butterfly pitch angle distributions that flatten over a few days at 100s keV, tens of days at MeV energies which may explain observations of butterfly distributions of MeV electrons near L = 3. Including cross terms in the simulations increases the tendency toward butterfly distributions. Plain Language Summary Radiation belts are hazardous regions found around several of the planets in our Solar System. They consist of very hot, electrically charged particles trapped in the magnetic field of the planet. At Saturn the most important way to heat these particles has for many years been thought to involve the particles drifting closer toward the planet. This paper adds to the emerging idea at Saturn that a different way to heat the particles is also possible where the heating is done by waves, in a similar way to what we find at the Earth. We use recent information from the Cassini spacecraft on the number and location of particles and also of the waves strength and location combined with computer simulations to show that a particular wave called chorus is excellent at heating the particles where the surrounding number of cold particles is low. Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1029/2019GL083071 SN - 0094-8276 SN - 1944-8007 VL - 46 IS - 13 SP - 7191 EP - 7198 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - THES A1 - Dahlke, Sandro T1 - Rapid climate changes in the arctic region of Svalbard T1 - Aktuelle Klimaänderungen in der Svalbard-Region BT - processes, implications and representativeness for the broader Arctic BT - Prozesse, Auswirkungen und Repräsentativität für die Arktis N2 - Over the last decades, the Arctic regions of the earth have warmed at a rate 2–3 times faster than the global average– a phenomenon called Arctic Amplification. A complex, non-linear interplay of physical processes and unique pecularities in the Arctic climate system is responsible for this, but the relative role of individual processes remains to be debated. This thesis focuses on the climate change and related processes on Svalbard, an archipelago in the North Atlantic sector of the Arctic, which is shown to be a "hotspot" for the amplified recent warming during winter. In this highly dynamical region, both oceanic and atmospheric large-scale transports of heat and moisture interfere with spatially inhomogenous surface conditions, and the corresponding energy exchange strongly shapes the atmospheric boundary layer. In the first part, Pan-Svalbard gradients in the surface air temperature (SAT) and sea ice extent (SIE) in the fjords are quantified and characterized. This analysis is based on observational data from meteorological stations, operational sea ice charts, and hydrographic observations from the adjacent ocean, which cover the 1980–2016 period. It is revealed that typical estimates of SIE during late winter range from 40–50% (80–90%) in the western (eastern) parts of Svalbard. However, strong SAT warming during winter of the order of 2–3K per decade dictates excessive ice loss, leaving fjords in the western parts essentially ice-free in recent winters. It is further demostrated that warm water currents on the west coast of Svalbard, as well as meridional winds contribute to regional differences in the SIE evolution. In particular, the proximity to warm water masses of the West Spitsbergen Current can explain 20–37% of SIE variability in fjords on west Svalbard, while meridional winds and associated ice drift may regionally explain 20–50% of SIE variability in the north and northeast. Strong SAT warming has overruled these impacts in recent years, though. In the next part of the analysis, the contribution of large-scale atmospheric circulation changes to the Svalbard temperature development over the last 20 years is investigated. A study employing kinematic air-back trajectories for Ny-Ålesund reveals a shift in the source regions of lower-troposheric air over time for both the winter and the summer season. In winter, air in the recent decade is more often of lower-latitude Atlantic origin, and less frequent of Arctic origin. This affects heat- and moisture advection towards Svalbard, potentially manipulating clouds and longwave downward radiation in that region. A closer investigation indicates that this shift during winter is associated with a strengthened Ural blocking high and Icelandic low, and contributes about 25% to the observed winter warming on Svalbard over the last 20 years. Conversely, circulation changes during summer include a strengthened Greenland blocking high which leads to more frequent cold air advection from the central Arctic towards Svalbard, and less frequent air mass origins in the lower latitudes of the North Atlantic. Hence, circulation changes during winter are shown to have an amplifying effect on the recent warming on Svalbard, while summer circulation changes tend to mask warming. An observational case study using upper air soundings from the AWIPEV research station in Ny-Ålesund during May–June 2017 underlines that such circulation changes during summer are associated with tropospheric anomalies in temperature, humidity and boundary layer height. In the last part of the analysis, the regional representativeness of the above described changes around Svalbard for the broader Arctic is investigated. Therefore, the terms in the diagnostic temperature equation in the Arctic-wide lower troposphere are examined for the Era-Interim atmospheric reanalysis product. Significant positive trends in diabatic heating rates, consistent with latent heat transfer to the atmosphere over regions of increasing ice melt, are found for all seasons over the Barents/Kara Seas, and in individual months in the vicinity of Svalbard. The above introduced warm (cold) advection trends during winter (summer) on Svalbard are successfully reproduced. Regarding winter, they are regionally confined to the Barents Sea and Fram Strait, between 70°–80°N, resembling a unique feature in the whole Arctic. Summer cold advection trends are confined to the area between eastern Greenland and Franz Josef Land, enclosing Svalbard. N2 - Die Arktis hast sich über die letzten Jahrzehnte etwa 2–3 mal so schnell erwärmt wie die globale Mitteltemperatur der Erde, wofür der Begriff Arktische Verstärkung geprägt wurde. Eine komplexe Kaskade nichtlinear miteinander interagierender Prozesse und lokaler Bedingungen ist für das Auftreten dieses Phänomens verantwortlich, jedoch bleibt ein wissenschaftlicher Konsens zur Quantifizierung einzelner beteiligter Prozesse noch aus. Diese Arbeit befasst sich mit den Klimaänderungen und assoziierten Prozessen in der Svalbard-Region, einem arktischen Archipel im Nordatlantik. Svalbard kann als Brennpunkt der arktischen Veränderungen bezeichnet werden, vor allem während des Winters. In dieser ausgesprochen dynamischen Region interagieren die Energieflüsse durch großskalige atmosphärische und ozeanische Wärme- und Feuchtetransporte mit der heteorogenen Oberfläche, die sich aus Eis-, Wasser-, oder Landflächen zusammensetzt. Die daraus resultierenden horizontalen und vertikalen Energieflüsse stehen in engem Zusammenhang mit der Beschaffenheit der atmosphärischen Grenzschicht. Im ersten Teil dieser Arbeit werden laterale Unterschiede in der Oberflächentemperatur (SAT), sowie der Meereisbedeckung (SIE) in den Fjorden und Sunden des Archipels quantifiziert und klassifiziert. Dies geschieht auf der Grundlage von meteorologischen Stationsmessdaten und operationellen Eisbedeckungskarten der Jahe 1980–2016. Es zeigt sich, dass prozentuale Eisbedeckungen im Osten des Studiengebietes typischerweise 80–90% im Winter erreichen, während diese Werte in Fjorden der Westküste mit 40–50% deutlich niedriger liegen. Allerdings bedingt eine starke, winterliche SAT Erwärmung von 2–3K pro Jahrzehnt signifikante SIE Abwärtstrends, sodass die Fjorde im Westen von Svalbard in den jüngeren Wintern üblicherweise eisfrei waren. Im Weiteren wird gezeigt dass die warmen Ozeanströmungen nahe der Westküste, sowie spezielle Windkonstellationen, einen signifikanten regionalen Einfluss auf die langzeitliche Entwicklung der Meereisbedeckung ausüben. So kann Variabilität in der Temperatur des Westspitzbergenstroms etwa 20–37% der zwischenjährlichen SIE Variabilität in den Fjorden der Westküste erklären. Die meridionale Atmosphärenströmung nordwestlich von Spitzbergen, die hochkorelliert mit Eisdrift ist, kann andererseits –regional abhängig– etwa 20–50% der SIE-Variablität in den nördlichen und nordöstlichen Fjorden erklären. Durch den starken temperaturbedingten Eisrückgang in der gesamten Region sind diese Einflüsse zuletzt jedoch stark abgeschwächt. Im Folgenden wird der Beitrag von Zirkulationsänderungen zur Temperaturentwicklung Svalbards während der letzten 20 Jahre untersucht. Die Analyse basiert auf den Quellregionen troposphärischer Luftmassen, die sich aus kinematischen FLEXTRA-Rückwärtstrajektorien ergeben. Für den Winter zeigt sich, dass sich diese zuletzt immer häufiger in sub-arktische Gebiete über dem Nordatlantik verlagert hatten, und seltener in der hohen Arktis lagen. Dies moduliert Warmluft-, und Feuchtetransporte in Richtung Spitzbergen, und beeinflusst potentiell Wolkencharakteristiken und assoziierte Strahlungsprozesse. Nähere Untersuchen zeigen dass ein zuletzt stärker ausgeprägtes Uralhoch und Islandtief dafür verantwortlich sind, und dass dies einen Beitrag von etwa 25% zur jüngsten Wintererwärmung auf Spitzbergen hat. Sommertrajektorien offenbaren eine gegensätzliche Entwicklung, mit häufigerer Anströmung aus der Zentralarktis, welche mit Kaltluftadvektion einhergeht, auf Kosten von seltenerer Anströmung aus dem Süden. Dies liegt in einem während der letzten 10 Jahre stark ausgeprägten Grönlandhoch begründet. Eine Fallstudie anhand von Radiosondendaten vom Frühsommer 2017 untermauert die Ergebnisse und zeigt darüber hinaus, dass derartige Zirkulationsänderungen mit ausgeprägten Anomalien von troposphärischen Temperaturen,Feuchtigkeit, und der Grenzschichthöhe in Ny-Ålesund einher geht. Interessanterweise tragen Zirkulationsänderungen im Winter also verstärkend zur Erwärmung auf Svalbard bei, während jene im Sommer einer stärkeren Erwärmung entgegenwirken. In einem letzten Analyseschritt wird die regionale Repräsentativität der Region für die weitere Arktis erörtert. Die Analyse von Era-Interim Reanalysedaten untermauert hierbei zunächst die advektiven Temperaturänderungen in Sommer und Winter in der Region um Svalbard. Der Trend zu verstärkt positiver winterlicher Temperaturadvektion ist einzigartig in der Arktis und beschränkt sich auf die Regionen zwischen Barentssee, Spitzbergen und der nördlichen Framstraße. Die sommerliche erhöhte Kaltluftadvektion findet sich in einem weiten Gebiet zwischen der Ostküste Grönlands und Franz-Josef-Land, welches Svalbard einschließt. Ein diabatischer Erwärmungstrend, der mit aufwärts gerichteten latenten Energieflüssen und Eisrückgang konsistent ist, findet sich in allen Jahreszeiten über der Barents/Karasee wieder, und erstreckt sich in einzelnen Monaten bis nach Svalbard. KW - arctic KW - climate KW - Svalbard KW - meteorology KW - climatology KW - atmosphere KW - Arktis KW - Klima KW - Svalbard KW - Meteorologie KW - Klimatologie KW - Atmosphäre Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445542 ER - TY - JOUR A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Sokolov, Igor M. T1 - Random search with resetting BT - a unified renewal approach JF - Physical review letters N2 - We provide a unified renewal approach to the problem of random search for several targets under resetting. This framework does not rely on specific properties of the search process and resetting procedure, allows for simpler derivation of known results, and leads to new ones. Concentrating on minimizing the mean hitting time, we show that resetting at a constant pace is the best possible option if resetting helps at all, and derive the equation for the optimal resetting pace. No resetting may be a better strategy if without resetting the probability of not finding a target decays with time to zero exponentially or faster. We also calculate splitting probabilities between the targets, and define the limits in which these can be manipulated by changing the resetting procedure. We moreover show that the number of moments of the hitting time distribution under resetting is not less than the sum of the numbers of moments of the resetting time distribution and the hitting time distribution without resetting. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.050601 SN - 0031-9007 SN - 1079-7114 VL - 121 IS - 5 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - JOUR A1 - Estrada, Ernesto A1 - Delvenne, Jean-Charles A1 - Hatano, Naomichi A1 - Mateos, Jose L. A1 - Metzler, Ralf A1 - Riascos, Alejandro P. A1 - Schaub, Michael T. T1 - Random multi-hopper model BT - super-fast random walks on graphs JF - Journal of Complex Networks N2 - We develop a mathematical model considering a random walker with long-range hops on arbitrary graphs. The random multi-hopper can jump to any node of the graph from an initial position, with a probability that decays as a function of the shortest-path distance between the two nodes in the graph. We consider here two decaying functions in the form of Laplace and Mellin transforms of the shortest-path distances. We prove that when the parameters of these transforms approach zero asymptotically, the hitting time in the multi-hopper approaches the minimum possible value for a normal random walker. We show by computational experiments that the multi-hopper explores a graph with clusters or skewed degree distributions more efficiently than a normal random walker. We provide computational evidences of the advantages of the random multi-hopper model with respect to the normal random walk by studying deterministic, random and real-world networks. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1093/comnet/cnx043 SN - 2051-1310 SN - 2051-1329 VL - 6 IS - 3 SP - 382 EP - 403 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Kluge, Lucas A1 - Socolar, Joshua E. S. A1 - Schöll, Eckehard T1 - Random logic networks BT - from classical Boolean to quantum dynamics JF - Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics N2 - We investigate dynamical properties of a quantum generalization of classical reversible Boolean networks. The state of each node is encoded as a single qubit, and classical Boolean logic operations are supplemented by controlled bit-flip and Hadamard operations. We consider synchronous updating schemes in which each qubit is updated at each step based on stored values of the qubits from the previous step. We investigate the periodic or quasiperiodic behavior of quantum networks, and we analyze the propagation of single site perturbations through the quantum networks with input degree one. A nonclassical mechanism for perturbation propagation leads to substantially different evolution of the Hamming distance between the original and perturbed states. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevE.104.064308 SN - 2470-0045 SN - 2470-0053 VL - 104 IS - 6 PB - American Physical Society CY - Woodbury, NY ER - TY - THES A1 - Mardoukhi, Yousof T1 - Random environments and the percolation model BT - non-dissipative fluctuations of random walk process on finite size clusters BT - Nicht-dissipative Fluktuationen des Random-Walk-Prozesses bei endlichen Clustern N2 - Percolation process, which is intrinsically a phase transition process near the critical point, is ubiquitous in nature. Many of its applications embrace a wide spectrum of natural phenomena ranging from the forest fires, spread of contagious diseases, social behaviour dynamics to mathematical finance, formation of bedrocks and biological systems. The topology generated by the percolation process near the critical point is a random (stochastic) fractal. It is fundamental to the percolation theory that near the critical point, a unique infinite fractal structure, namely the infinite cluster, would emerge. As de Gennes suggested, the properties of the infinite cluster could be deduced by studying the dynamical behaviour of the random walk process taking place on it. He coined the term the ant in the labyrinth. The random walk process on such an infinite fractal cluster exhibits a subdiffusive dynamics in the sense that the mean squared displacement grows as ~t2/dw, where dw, called the fractal dimension of the random walk path, is greater than 2. Thus, the random walk process on the infinite cluster is classified as a process exhibiting the properties of anomalous diffusions. Yet near the critical point, the infinite cluster is not the sole emergent topology, but it coexists with other clusters whose size is finite. Though finite, on specific length scales these finite clusters exhibit fractal properties as well. In this work, it is assumed that the random walk process could take place on these finite size objects as well. Bearing this assumption in mind requires one address the non-equilibrium initial condition. Due to the lack of knowledge on the propagator of the random walk process in stochastic random environments, a phenomenological correspondence between the renowned Ornstein-Uhlenbeck process and the random walk process on finite size clusters is established. It is elucidated that when an ensemble of these finite size clusters and the infinite cluster is considered, the anisotropy and size of these finite clusters effects the mean squared displacement and its time averaged counterpart to grow in time as ~t(d+df (t-2))/dw, where d is the embedding Euclidean dimension, df is the fractal dimension of the infinite cluster, and , called the Fisher exponent, is a critical exponent governing the power-law distribution of the finite size clusters. Moreover, it is demonstrated that, even though the random walk process on a specific finite size cluster is ergodic, it exhibits a persistent non-ergodic behaviour when an ensemble of finite size and the infinite clusters is considered. N2 - Der Perkolationprozess, der nahe dem kritischen Punkt von Natur aus ein Phasenübergangsprozess ist, ist allgegenwärtig in der Natur. Anwendungen dieses Prozesses umfassen ein breites Spektrum natürliche Phänomene von Waldbränden, der Ausbreitung von Infektionskrankenheiten, Dynamik des Sozialverhaltens bis hin zu der Finanzmathematik, der Bildung des von Gestein und biologische Systemen. Die durch der Perkolationprozess nahe dem kritischen Punkt generierte Topologie, ist ein zufälliges (stochastisches) Fraktal. Es ist eine fundamentale Aussage der Perkolationtheorie, dass nahe dem kritischen Punkt eine eindeutige unendliche fraktale Struktur, nämlich der unendliche Cluster, aufkommt. Wie de Gennes vorgeschlagen hat, können die Eigenschaften des unendliches Clusters durch die Dynamik der Irrfahrt, die auf dem Cluster stattfindet, abgeleitet werden. Er erfand den Ausdruck \textit{the ant in the labyrinth}. Die Irrfahrt auf solchen unendlichen fraktalen Clustern weist eine subdiffusive Dynamik auf, in dem Sinne, dass ihre mittlere quadratische Verschiebung wie $\sim t^{d_w}$ skaliert, wobei $d_w$, genannt die fraktale Dimension der Zufallsbewegung, größer als 2 ist. Auf diese Weise wird die Irrfahrt auf dem unendlichen Cluster als ein Prozess, der die Eigenschaften von anomaler Diffusion aufweist, klassifiziert. Der unendliche Cluster ist allerdings nicht die einzige entstehende Topologie nahe dem kritischen Punkt. Tatsächlich, koexistiert er mit anderen Clustern deren Größe endlich ist. Obwohl sie endlich sind, weisen sie auf bestimmten Längenmaßen fraktale Eigenschaften auf. In dieser Arbeit wird angenommen, dass die Irrfahrt auch auf diesen Clustern stattfinden könnte. Diese Annahme verlangt, dass die Nichtgleichgewichts-Anfangsbedingung diskutiert wird. Aufgrund der mangelnden Kenntnisse über den Propagator der Irrfahrt in stochastischen Umgebungen, wird in diese Arbeit eine phänomenologische Übereinstimmung zwischen dem bekannten Ornstein-Uhlenbeck Prozess und der Irrfahrt auf dem endlichen Cluster hergestellt. Es wird erläutert, dass, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Clustern zusammen betrachtet wird, die Anisotropie und Größe der endlichen Cluster dazu führen, dass die mittlere quadratische Verschiebung und ihr zeitgemittlertes Gegenteil mit der Zeit wie $\sim t^{(d+d_f(\tau-2))/d_w}$ wachsen, wobei $d$ die euklidische Einbettungsdimension ist, $d_f$ die fraktale Dimension und $\tau$, genannt der \textit{Fisher Exponent}, ein kritischer Exponent ist, der die Power-Law Verteilung der Clustergröße angibt. Es wird außerdem dargestellt dass, obwohl die Irrfahrt auf einem bestimmten endlichen Cluster ergodisch ist, er dennoch ein unergodisches Verhalten aufweist, wenn ein Ensemble von endlichen und unendlichen Cluster betrachtet wird. T2 - Zufallsumgebungen und das Perkolationsmodell KW - Percolation KW - Random Environments KW - Fractals KW - Random Walk KW - Ornstein-Uhlenbeck Process KW - Perkolation KW - Zufällige Umgebungen KW - Fraktale KW - Zufällige Stochastische Irrfahrt KW - Ornstein-Uhlenbeck Prozess Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472762 ER - TY - JOUR A1 - Sposini, Vittoria A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Seno, Flavio A1 - Pagnini, Gianni A1 - Metzler, Ralf T1 - Random diffusivity from stochastic equations BT - comparison of two models for Brownian yet non-Gaussian diffusion JF - New Journal of Physics N2 - A considerable number of systems have recently been reported in which Brownian yet non-Gaussian dynamics was observed. These are processes characterised by a linear growth in time of the mean squared displacement, yet the probability density function of the particle displacement is distinctly non-Gaussian, and often of exponential(Laplace) shape. This apparently ubiquitous behaviour observed in very different physical systems has been interpreted as resulting from diffusion in inhomogeneous environments and mathematically represented through a variable, stochastic diffusion coefficient. Indeed different models describing a fluctuating diffusivity have been studied. Here we present a new view of the stochastic basis describing time dependent random diffusivities within a broad spectrum of distributions. Concretely, our study is based on the very generic class of the generalised Gamma distribution. Two models for the particle spreading in such random diffusivity settings are studied. The first belongs to the class of generalised grey Brownian motion while the second follows from the idea of diffusing diffusivities. The two processes exhibit significant characteristics which reproduce experimental results from different biological and physical systems. We promote these two physical models for the description of stochastic particle motion in complex environments. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/aab696 SN - 1367-2630 SP - 1 EP - 33 PB - Deutsche Physikalische Gesellschaft / Institute of Physics CY - Bad Honnef und London ER -