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Restoring ergodicity of stochastically reset anomalous-diffusion processes

  • How do different reset protocols affect ergodicity of a diffusion process in single-particle-tracking experiments? We here address the problem of resetting of an arbitrary stochastic anomalous-diffusion process (ADP) from the general mathematical points of view and assess ergodicity of such reset ADPs for an arbitrary resetting protocol. The process of stochastic resetting describes the events of the instantaneous restart of a particle’s motion via randomly distributed returns to a preset initial position (or a set of those). The waiting times of such resetting events obey the Poissonian, Gamma, or more generic distributions with specified conditions regarding the existence of moments. Within these general approaches, we derive general analytical results and support them by computer simulations for the behavior of the reset mean-squared displacement (MSD), the new reset increment-MSD (iMSD), and the mean reset time-averaged MSD (TAMSD). For parental nonreset ADPs with the MSD(t)∝ tμ we find a generic behavior and a switch of theHow do different reset protocols affect ergodicity of a diffusion process in single-particle-tracking experiments? We here address the problem of resetting of an arbitrary stochastic anomalous-diffusion process (ADP) from the general mathematical points of view and assess ergodicity of such reset ADPs for an arbitrary resetting protocol. The process of stochastic resetting describes the events of the instantaneous restart of a particle’s motion via randomly distributed returns to a preset initial position (or a set of those). The waiting times of such resetting events obey the Poissonian, Gamma, or more generic distributions with specified conditions regarding the existence of moments. Within these general approaches, we derive general analytical results and support them by computer simulations for the behavior of the reset mean-squared displacement (MSD), the new reset increment-MSD (iMSD), and the mean reset time-averaged MSD (TAMSD). For parental nonreset ADPs with the MSD(t)∝ tμ we find a generic behavior and a switch of the short-time growth of the reset iMSD and mean reset TAMSDs from ∝ _μ for subdiffusive to ∝ _1 for superdiffusive reset ADPs. The critical condition for a reset ADP that recovers its ergodicity is found to be more general than that for the nonequilibrium stationary state, where obviously the iMSD and the mean TAMSD are equal. The consideration of the new statistical quantifier, the iMSD—as compared to the standard MSD—restores the ergodicity of an arbitrary reset ADP in all situations when the μth moment of the waiting-time distribution of resetting events is finite. Potential applications of these new resetting results are, inter alia, in the area of biophysical and soft-matter systems.zeige mehrzeige weniger

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  • SHA-512:ba1ff248c1e78a8aec529a34bfee87bb2d9880fa57e06488138340aa485737c2b6db3eac7b2470c12e727ae8adeb1fff0d61a81c33280393da6860150bfd4d97

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Verfasserangaben:Wei WangORCiD, Andrey G. CherstvyORCiD, Ralf MetzlerORCiDGND, Igor M. SokolovORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560377
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-56037
ISSN:1866-8372
Titel des übergeordneten Werks (Deutsch):Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
Schriftenreihe (Bandnummer):Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe (1261)
Verlag:Universitätsverlag Potsdam
Verlagsort:Potsdam
Publikationstyp:Postprint
Sprache:Englisch
Datum der Erstveröffentlichung:13.09.2022
Erscheinungsjahr:2022
Veröffentlichende Institution:Universität Potsdam
Datum der Freischaltung:19.09.2022
Seitenanzahl:13
Erste Seite:013161-1
Letzte Seite:013161-13
Organisationseinheiten:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Peer Review:Referiert
Publikationsweg:Open Access / Green Open-Access
Lizenz (Deutsch):License LogoCC-BY - Namensnennung 4.0 International
Externe Anmerkung:Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle
Verstanden ✔
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