Одной из нерешенных базовых задач в физике активной материи является аналитическое описание среднеквадратичного смещения активной броуновской частицы в гармонической ловушке с учетом поступательной и вращательной инерции частицы. Актуальность решения такой задачи обусловлена множеством экспериментов и рядом приложений с активными частицами, в которых инерционные эффекты могут играть существенную роль. В рамках модели активной броуновской частицы с поступательной и вращательной инерцией получено аналитическое выражение, описывающее эволюцию среднеквадратичного смещения частицы в гармонической ловушке.
One of the unsolved problems in the physics of active matter is providing an analytical description of the mean square displacement of an active Brownian particle in a harmonic trap that takes into account the particle’s translational and rotational inertia. Solving this problem is relevant because inertial effects can play a significant role in a number of experiments and applications involving active particles. Within the framework of a model of an active Brownian particle with translational and rotational inertia, an analytical expression has been obtained that describes the evolution of the mean square displacement of a particle in a harmonic trap.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- eLIBRARY ID
- 88774611
В рамках модели активной броуновской частицы с поступательной и вращательной инерцией впервые получены аналитические выражения, описывающие эволюцию среднеквадратичного смещения частицы в гармонической ловушке. Результаты данной работы могут быть полезны для описания динамики светочувствительных активных микрочастиц в газоразрядной плазме [4, 5], сверхтекучем гелии [6] и вакуумной оптической ловушке [22], а также микропловцов в акустической ловушке [23], макроскопических виброботов в параболическом конфайнменте [9] и др. Макроскопические инерционные активные частицы, приводимые в движение вибрацией и движущиеся по ограниченным траекториям, могут использоваться в качестве управляемого аналога транспортных средств или пешеходов для моделирования заторов в узких местах при оптимизации транспортных систем и проектировании общественных пространств [24]. Макроскопические инерционные активные частицы могут использоваться при создании механических метаматериалов и автономных устройств, приводимых в движение вибрацией [25, 26]. Обсуждаются идеи создания микроскопических тепловых машин на основе инерционной активной материи [27, 28].
Список литературы
1. Арансон И. С. / Успехи физических наук. 2013. Т. 183 (1).С. 87–102.
2. Elgeti J., Winkler R. G., Gompper G. / Rep. Prog. Phys. 2015. Vol. 78. P. 056601.
3. Bechinger C., Di Leonardo R., Löwen H., Reichhardt C., Volpe G., Volpe G. / Rev. Mod. Phys. 2016. Vol. 88. P. 045006.
4. Nosenko V., Luoni F., Kaouk A., Rubin-Zuzic M., Thomas H. / Phys. Rev. Res. 2020. Vol. 2. P. 033226.
5. Arkar K., Vasiliev M. M., Petrov O. F., Kononov E. A., Trukhachev F. M. / Molecules. 2021. Vol. 26. P. 561.
6. Petrov O. F., Boltnev R. E., Vasiliev M. M. / Sci. Rep. 2022. Vol. 12. P. 6085.
7. Leoni M., Paoluzzi M., Eldeen S., Estrada A., Nguyen L., Alexandrescu M., Sherb K., Ahmed W. W. / Physical Review Research. 2020. Vol. 2 (4). P. 043299.
8. Deblais A., Barois T., Guerin T., Delville P. H., Vaudaine R., Lintuvuori J. S., Boudet J. F., Baret J. C., Kellay H. / Physical review letters. 2018. Vol. 120 (18).
P. 188002.
9. Dauchot O., Démery V. / Physical review letters. 2019. Vol. 122 (6). P. 068002.
10. Jiang H. R., Yoshinaga N., Sano M. / Physical review letters. 2010. Vol. 105 (26). P. 268302.
11. ten Hagen B., van Teeffelen S., Lowen H. / J. Phys.: Condens. Matter. 2011. Vol. 23. P. 194119.
12. Szamel G. / Physical Review E. 2014. Vol. 90 (1). P. 012111.
13. Das S., Gompper G., Winkler R. G. / New Journal of Physics. 2018. Vol. 20 (1). P. 015001.
14. Chaudhuri D., Dhar A. / Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment. 2021. Vol. 2021 (1). P. 013207.
15. Caraglio M., Franosch T. / Physical Review Letters. 2022. Vol. 129 (15). P. 158001.
16. Caprini L., Marconi U. M. B. / The Journal of Chemical Physics. 2021. Vol. 154 (2). P. 024902.
17. Nguyen G. P., Wittmann R., Löwen H. / Journal of Physics: Condensed Matter. 2021. Vol. 34 (3). P. 035101.
18. Lisin E. A., Vaulina O. S., Lisina I. I., Petrov O. F. / Physical Chemistry Chemical Physics. 2022. Vol. 24 (23). P. 14150–14158.
19. Sprenger A. R., Caprini L., Löwen H., Wittmann R. / Journal of Physics: Condensed Matter. 2023. Vol. 35 (30). P. 305101.
20. Gutierrez-Martinez L. L., Sandoval M. / The Journal of Chemical Physics. 2020. Vol. 153 (4). P. 044906.
21. Uhlenbeck G. E., Ornstein L. S. / Physical review. 1930. Vol. 36 (5). P. 823.
22. Li T., Kheifets S., Medellin D., Raizen M. G. / Science. 2010. Vol. 328 (5986). P. 1673–1675.
23. Takatori S. C., De Dier R., Vermant J., Brady J. F. / Nature communications. 2016. Vol. 7 (1). P. 10694.
24. Rozenblit A., Buzakov M., Molodtsova A., Dmitriev A., Olekhno N. 18th International Conference on Management of Large-Scale System Development. 2025. doi: 10.1109/MLSD65526.2025.11220665
25. Wang J., Wang G., Chen H., Liu Y., Wang P., Yuan D., Liu L. et al. / Nature communications. 2024. Vol. 15 (1). P. 8853.
26. Ning L., Zhu H., Yang J., Zhang Q., Liu P., Ni R., Zheng N. / National Science Open. 2024. Vol. 3(4). P. 20240005.
27. Kumari A., Pal P. S., Saha A., Lahiri S. / Physical Review E. 2020. Vol. 101 (3). P. 032109.
28. Hecht L., Mandal S., Löwen H., Liebchen B. / Physical Review Letters. 2022. Vol. 129 (17). P. 178001.
1. Aranson I. S., Active colloids. Physics-Uspekhi 56 (1), 79 (2013).
2. Elgeti J., Winkler R. G. and Gompper G., Rep. Prog. Phys. 78, 056601 (2015).
3. Bechinger C., Di Leonardo R., Löwen H., Reichhardt C., Volpe G. and Volpe G., Rev. Mod. Phys. 88, 045006 (2016).
4. Nosenko V., Luoni F., Kaouk A., Rubin-Zuzic M. and Thomas H., Phys. Rev. Res. 2, 033226 (2020).
5. Arkar K., Vasiliev M. M., Petrov O. F., Kononov E. A. and Trukhachev F. M., Molecules 26, 561 (2021).
6. Petrov O. F., Boltnev R. E. and Vasiliev M. M., Sci. Rep. 12, 6085 (2022).
7. Leoni M., Paoluzzi M., Eldeen S., Estrada A., Nguyen L., Alexandrescu M., Sherb K. and Ahmed W. W., Physical Review Research 2 (4), 043299 (2020).
8. Deblais A., Barois T., Guerin T., Delville P. H., Vaudaine R., Lintuvuori J. S., Boudet J. F., Baret J. C. and Kellay H., Physical review letters 120 (18), 188002 (2018).
9. Dauchot O. and Démery V., Physical review letters 122 (6), 068002 (2019).
10. Jiang H. R., Yoshinaga N. and Sano M., Physical review letters 105 (26), 268302 (2010).
11. ten Hagen B., van Teeffelen S. and Lowen H., J. Phys.: Condens. Matter 23, 194119 (2011).
12. Szamel G., Physical Review E 90 (1), 012111 (2014).
13. Das S., Gompper G. and Winkler R. G., New Journal of Physics 20 (1), 015001 (2018).
14. Chaudhuri D. and Dhar A., Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, 2021(1), 013207.(2021).
15. Caraglio, M., & Franosch, T. Physical Review Letters, 129(15), 158001 (2022).
16. L. Caprini and U. M. B. Marconi, The Journal of Chemical Physics, 154(2), 024902.2021,
17. Nguyen G. P., Wittmann R. and Löwen H., Journal of Physics: Condensed Matter. 34 (3), 035101 (2021).
18. Lisin E. A., Vaulina O. S., Lisina I. I. and Petrov O. F., Physical Chemistry Chemical Physics 24 (23), 14150–14158 (2022).
19. Sprenger A. R., Caprini L., Löwen H. and Wittmann R., Journal of Physics: Condensed Matter. 35 (30), 305101 (2023).
20. Gutierrez-Martinez L. L. and Sandoval M., The Journal of Chemical Physics 153 (4), 044906 (2020).
21. Uhlenbeck G. E. and Ornstein L. S., Physical review 36 (5), 823 (1930).
22. Li T., Kheifets S., Medellin D. and Raizen M. G., Science 328 (5986), 1673–1675 (2010).
23. Takatori S. C., De Dier R., Vermant J. and Brady J. F., Nature communications 7 (1), 10694 (2016).
24. Rozenblit A., Buzakov M., Molodtsova A., Dmitriev A. and Olekhno N. 18th International Conference on Management of Large-Scale System Development, 2025. doi: 10.1109/MLSD65526.2025.11220665
25. Wang J., Wang G., Chen H., Liu Y., Wang P., Yuan D., Liu L. et al., Nature communications 15 (1), 8853 (2024).
26. Ning L., Zhu H., Yang J., Zhang Q., Liu P., Ni R. and Zheng N., National Science Open 3 (4), 20240005 (2024).
27. Kumari A., Pal P. S., Saha A. and Lahiri S., Physical Review E 101 (3), 032109 (2020).
28. Hecht L., Mandal S., Löwen H. and Liebchen B., Physical Review Letters 129 (17), 178001 (2022).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Влияние локальных дефектов в окисных слоях на вольт-амперные характеристики кремниевых фотодиодов Болтарь К. О., Вильдяева М. Н., Демидов С. С., Климанов Е. А., Молчанов Д. С., Макарова Э. А., Попов К. А., Жукович-Гардеева А. А., Егоров А. В. 7
Анализ данных производственного контроля для управления качеством монокристаллов GaAs Комаровский Н. Ю., Князев С. Н., Трофимов А. А., Савиных Е. А., Соколовская Э. А., Кудря А. В. 14
Конформные тепловые метаматериалы – новые возможности управления тепловыми потоками в электронике Сакуненко Ю. И., Кондратенко В. С., Трофимов А. А. 21
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Обеззараживание семян подсолнечника при воздействии отрицательного коронного разряда Бычков В. Л., Логунов А. А., Ваулин Д. Н., Шваров А. П., Изотов А. М., Тарасенко Б. А., Дударев Д. П. 26
Особенности формирования импульсного разряда в предварительно ионизированном гелии Курбанисмаилов В. С., Рагимханов Г. Б., Терешонок Д. В., Халикова З. Р., Майоров С. А., Абакарова Х. М. 31
Направленный электрический разряд в воде по каналу с ионами соли NaCl Панов В. А., Савельев А. С., Куликов Ю. М. 38
О среднеквадратичном смещении активной броуновской частицы с инерцией вращения в гармонической ловушке Лисин Е. А., Лисина И. И. 44
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Электрические и оптические свойства кремний-углеродных пленок, осажденных электронно-лучевым испарением карбида кремния в газовой среде Бурдовицин В. А., Нгон А Кики Л. Ж., Окс Е. М., Суховольский Ф. А. 50
Исследования полиамидных мембран, модифицированных наночастицами нитрида бора, для фильтрации наночастиц серебра Локтионова И. В., Абакумов П. В., Кузьменко А. П., Колпаков А. И., Новиков Е. А., Мамонтов В. А., Петрова Л. П. 56
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Исследование свойств вакуумно-плотных паяных соединений, применяемых для изготовления держателей матричных фотоприёмных устройств Коротаев Е. Д., Гурьев Д. И., Гурьев А. И., Зиньковский А. А., Морозов Д. И., Шаров А. А. 63
Исследование эффективности канальной системы охлаждения воздуха с использованием электрогидродинамических потоков Воеводин В. В., Жарков Я. Е., Кириллов А. С., Коржова О. И., Мошкунов С. И., Хомич В. Ю. 69
Оптико-акустические приемники со свободно подвешенной мембраной Котляр П. Е. 75
ИНФОРМАЦИЯ
Сводный перечень статей, опубликованных в журнале «Прикладная физика» в 2025 г. 82
Правила для авторов 89
C O N T E N T S
PHOTOELECTRONICS
The effect of defects in oxide layers on the performance of silicon photodiodes Boltar K. O., Vildyaeva M. N., Demidov S. S., Klimanov E. A., Molchanov D. S., Makarova E. A., Popov K. A., Zhukovich-Gardeeva A. A. and Egorov A. V. 7
Application of retrospective analysis of production control databases for quality control of GaAs single crystals Komarovskiy N. Y., Knyazev S. N., Trofimov A. A., Savinykh E. A., Sokolovskaya E. A. and Kudrya A. V. 14
Conformal thermal metamaterials – new opportunities for managing heat flows in electronics Sakunenko Yu. I., Kondratenko V. S. and Trofimov A. A. 21
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
Effect of negative corona discharge on the contamination of sunflower seeds Bychkov V. L., Logunov A. A., Vaulin D. N., Shvarov A. P., Izotov A. M., Tarasenko B. A. and Dudarev D. P. 26
Features of pulsed discharge formation in pre-ionized helium Kurbanismailov V. S., Ragimkhanov G. B., Tereshonok D. V., Khalikova Z. R., Maiorov S. A. and Abakarova Kh. M. 31
Guided discharge in water with the aid of NaCl crystals Panov V. A., Saveliev A. S. and Kulikov Yu. M. 38
On the mean square displacement of an active Brownian particle with rotational inertia in a harmonic trap Lisin E. A. and Lisina I. I. 44
PHYSICAL SCIENCE OF MATERIALS
Electrical and optical properties of silicon-carbon films deposited by electron beam evaporation of silicon carbide in gas environment Burdovitsin V. A., Ngon A Kiki L. J., Oks E. M. and Sukhovolsky F. A. 50
Enhanced permeability of polyamide fabrics for silver nanoparticles via modification with boron nitride Loktionova I. V., Abakumov P. V., Kuzmenko A. P., Kolpakov A. I., Mamontov V. A., Novikov E. A. and Petrova L. P. 56
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
Investigation of vacuum-tight cooled assemblies for FPAs Korotaev E. D., Guryev D. I., Guryev A. I., Zinkovsky A. A., Morozov D. I. and Sharov A. A. 63
Performance study of a channel cooling system with EHD flows Voevodin V. V., Zharkov Ya. E., Kirillov A. S., Korzhova O. I., Moshkunov S. I. and Khomich V. U. 69
Optical-acoustic radiation receivers with a freely suspended membrane Kotlyar P. E. 75
INFORMATION
The summary list of the articles published in Applied Physics (Prikladnaya Fizika) in 2025 82
Rules for authors 89
Другие статьи выпуска
Рассмотрена эволюция основного узла оптико-акустического преобразователя датчика давления. Показан последовательный переход от мембранного датчика давления с жестким закреплением мембраны по контуру, приводящему к неконтролируемым механическим напряжениям и изменениям основных метрологических параметров к кантилеверным датчикам давления, у которых закрепляется лишь одна из сторон, что приводит к увеличению чувствительности более чем в 140 раз. Показано, что путем химического травления на мембранной фольге четырех Г-образных узких сквозных пазов в одном технологическом цикле могут быть сформированы полностью свободный от деформаций центральный мембранный элемент квадратной формы и четырехточечный угловой эластичный подвес в виде четырех узких упругих сенсорных элементов, расположенных вдоль боковых сторон недеформируемого мембранного элемента жестко закрепленных на опорном контуре.
Проведено расчетно-экспериментальное исследование модельной канальной системы охлаждения с использованием принудительной конвекции воздуха и вспомогательных электрогидродинамических (ЭГД) потоков, создаваемых коронным разрядом, при варьировании геометрических параметров канала и мощности устройств для создания охлаждающих потоков. Для рассматриваемых условий показана область эффективного использования ЭГД-потоков и выявлена нелинейная зависимость температуры стенок канала от мощности создающего ЭГД-поток коронного разряда.
Исследованы свойства вакуумно-плотных паяных соединений, созданных индукционной пайкой, применяемой для изготовления узлов вакуумных криогенных корпусов охлаждаемых матричных фотоприёмных устройств (МФПУ) – гильз-держателей. Учтена специфика их конструкции и применения в микрокриогенных системах охлаждения МФПУ. Для контроля скорости натекания по гелию разработана оригинальная оснастка, позволяющая существенно повысить предельную чувствительность гелиевого течеискателя. Скорость натекания по гелию изготовленных образцов корпусов составляет 510-13 Пам3/с.
Методами атомно-силовой микроскопии установлено формирование упорядоченных нанослоев (размер частиц 20 нм, шероховатость 24 нм). Спектроскопия комбинационного рассеяния света подтвердила образование химических связей с сохранением структуры полиамида. Модифицированные образцы показали высокую пропускную способность (97–98 %), превосходя немодифицированные на 35 %, что согласуется с данными молекулярно-динамического моделирования. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования модифицированных полиамидных мембран для эффективной фильтрации наночастиц серебра.
Кремний-углеродные пленки приготовлены путем электронно-лучевого испарения карбида кремния в азоте, кислороде, гелии и пропане. Электронный пучок создавался источником электронов с плазменным катодом. Измерены удельное сопротивление, энергия активации проводимости, ширина оптической запрещенной зоны, а также содержание элементов в пленках, осажденных при различных температурах. Показано, что изменение свойств пленок с температурой осаждения коррелирует с изменением соотношения элементов в пленках. Результаты проведенных исследований имеют важное значение для создания технологии электронно-лучевого синтеза кремний-углеродных пленок.
Продемонстрирована возможность направления распространения канала электрического разряда в воде с помощью создания локальных зон повышенной проводимости, которые возникают в следе от движущегося в воде кристалла поваренной соли. Направленный разряд был получен в воде с электропроводностью 350 мкСм/см под действием импульсного напряжения миллисекундной длительности амплитудой 7 кВ в межэлектродном промежутке 8 мм. Эффект заключается в изменении разрядным каналом своего направления распространения при встрече со следом тонущего кристалла, т. е. нормальное горизонтальное (относительно направления силы тяжести) распространение от анода к катоду сменяется направленным вертикальным распространением по следу с повышенной из-за постепенного растворения кристалла проводимостью.
Представлены результаты экспериментального исследования импульсного газового разряда в гелии при атмосферном давлении с ультрафиолетовой предыонизацией газа в системе «сетчатый катод – плоский анод». Напряжение на разрядном конденсаторе изменялось в диапазоне 3–14 кВ. Установлено, что амплитудное значение тока монотонно возрастает от десятков единиц до 1000 А с увеличением прикладываемого напряжения, демонстрируя почти линейную зависимость амплитудного значения тока Imaх от прикладываемого напряжения.
Проведены исследования воздействия отрицательного коронного разряда на зараженность семян подсолнечника масличного направления использования. Обработка семян этой культуры холодной плазмой коронного разряда способствует снижению их зараженности грибами, вызывающими заболевания растений. По мере увеличения продолжительности воздействия эффективность применения холодной плазмы повышается. При экспозиции в 180 и 240 минут отрицательная корона снизила зараженность ржавчиной средних по крупности семян подсолнечника на 100 %, а на крупных оказалась не эффективной.
Представлены результаты разработки и валидации нового класса материалов – конформных тепловых метаматериалов (КТМ), обладающих уникальной триадой свойств: выраженной анизотропией теплопроводности (xy/z 20–30, где xy = 60– 80 Вт/(мК), z = 2–4 Вт/(мК)), обеспечивающей «тепловой разворот»; конформностью – способностью точно воспроизводить рельеф поверхностей и изгибаться до 180 для «геометрического» управления потоками; автоэффектом улучшения теплового контакта за счет микроэкструзии внутренней теплопроводящей пасты. КТМ занимают промежуточное положение между жесткими анизотропными пластинами и тепловыми трубами, сочетая их преимущества при меньшей стоимости. Валидационные эксперименты на светодиодных лентах, точечных LED-источниках и мощных резисторах показали снижение температуры кристалла на 28–45 C, что эквивалентно увеличению срока службы в 2–3 раза. Доказана возможность замены традиционных Ш-образных радиаторов на покрытия КТМ и связанного с этим радикального улучшения массогабаритных характеристик электронных устройств.
Проведен анализ данных контроля легированных теллуром монокристаллов GaAs, выращенных методом Чохральского. Оценка соответствия распределения параметров материала и процесса выращивания монокристаллов GaAs нормальному распределению Гаусса проведена в соответствии с критериями асимметрии и Смирнова. Характеристика степени зависимости в системе «параметры материала-параметры процесса» оценивалась на основе градации величин парного коэффициента корреляции (|rxy| 0,013–0,420). Между фактическими и прогнозируемыми результатами наблюдалось существенное расхождение, коэффициент корреляции R варьировался в диапазоне 0,23–0,47. Показано, что для получения высокой подвижности свободных носителей заряда при низкой плотности структурных дефектов (Nd < 1,8104 см-2) необходимо обеспечить конвективное перемешивание расплава при плоском фронте кристаллизации.
Исследован механизма образования тока утечки в р+–n-переходах фотодиодов при наличии локальных дефектов. Рассмотрены закономерности образования локальных дефектов в диэлектрических слоях с целью определения условий, снижающих их плотность. На пластинах монокристаллического кремния (Cz-Si) n-типа диаметром 100 мм с удельным сопротивлением 4–5 Омсм и ориентацией (100) изготавливались элементы (ФЧЭ) с размером площадок 1,41,4 мм2. Технологический цикл изготовления включал операции окисления в парах H2O + HCl, фотолитографии, загонки (осаждения) бора из BN, диффузии бора и диффузии фосфора в различных режимах. В качестве источника диффузанта при диффузии фосфора использовались как жидкие источники POCL3 и PCL3, так и твердый источника – пластины метафосфата алюминия (МФА) (Al2O3, 3P2O5). Установлено, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) кремниевых фотодиодов с аномальными «мягкими» характеристиками определяется туннельным механизмом протекания тока. Применение оптимальных режимов геттерирования приводит к резкому снижению количества фоточувствительных элементов с аномальными ВАХ.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400