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Full distribution of first exit times in the narrow escape problem

  • In the scenario of the narrow escape problem (NEP) a particle diffuses in a finite container and eventually leaves it through a small 'escape window' in the otherwise impermeable boundary, once it arrives to this window and crosses an entropic barrier at the entrance to it. This generic problem is mathematically identical to that of a diffusion-mediated reaction with a partially-reactive site on the container's boundary. Considerable knowledge is available on the dependence of the mean first-reaction time (FRT) on the pertinent parameters. We here go a distinct step further and derive the full FRT distribution for the NEP. We demonstrate that typical FRTs may be orders of magnitude shorter than the mean one, thus resulting in a strong defocusing of characteristic temporal scales. We unveil the geometry-control of the typical times, emphasising the role of the initial distance to the target as a decisive parameter. A crucial finding is the further FRT defocusing due to the barrier, necessitating repeated escape or reaction attemptsIn the scenario of the narrow escape problem (NEP) a particle diffuses in a finite container and eventually leaves it through a small 'escape window' in the otherwise impermeable boundary, once it arrives to this window and crosses an entropic barrier at the entrance to it. This generic problem is mathematically identical to that of a diffusion-mediated reaction with a partially-reactive site on the container's boundary. Considerable knowledge is available on the dependence of the mean first-reaction time (FRT) on the pertinent parameters. We here go a distinct step further and derive the full FRT distribution for the NEP. We demonstrate that typical FRTs may be orders of magnitude shorter than the mean one, thus resulting in a strong defocusing of characteristic temporal scales. We unveil the geometry-control of the typical times, emphasising the role of the initial distance to the target as a decisive parameter. A crucial finding is the further FRT defocusing due to the barrier, necessitating repeated escape or reaction attempts interspersed with bulk excursions. These results add new perspectives and offer a broad comprehension of various features of the by-now classical NEP that are relevant for numerous biological and technological systems.zeige mehrzeige weniger

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Verfasserangaben:Denis S. GrebenkovORCiD, Ralf MetzlerORCiDGND, Gleb OshaninORCiDGND
DOI:https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab5de4
ISSN:1367-2630
Titel des übergeordneten Werks (Englisch):New Journal of Physics
Verlag:Dt. Physikalische Ges.
Verlagsort:Bad Honnef
Publikationstyp:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Erstveröffentlichung:13.12.2019
Erscheinungsjahr:2019
Datum der Freischaltung:20.01.2020
Freies Schlagwort / Tag:first-passage time distribution; mean versus most probable reaction times; mixed boundary conditions; narrow escape problem
Band:21
Seitenanzahl:23
Fördernde Institution:Universität Potsdam
Fördernummer:PA 2019_125
Organisationseinheiten:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Peer Review:Referiert
Fördermittelquelle:Publikationsfonds der Universität Potsdam
Publikationsweg:Open Access
Lizenz (Englisch):License LogoCreative Commons - Namensnennung 3.0 Unported
Externe Anmerkung:Zweitveröffentlichung in der Schriftenreihe Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe ; 810
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