1、本科毕业设计（20届）分子RATCHET器件和RATCHET制冷所在学院专业班级应用物理学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】本文首先论述RATCHET和RATCHET器件的概念和工作原理，其中着重指出了系统RATCHET现象的出现是由于系统中存在在不对称的RATCHET势能。从本质上来将，RATCHET的形成要归因于系统对称操作下的不对称性。更进一步地，可以归因于系统中存在RATCHET势能一种空间不对称的势能。RATCHET系统是一种利用输入与输出方向的不对称性来实现功能转化的一种热力学机制。进而又探究了RATCHET制冷的最简单的动力学模型，并分析了它的运作机制。【关键词】R
2、ATCHET器件；RATCHET制冷；不对称势能；工作原理ABSTRACT【ABSTRACT】THISARTICLEFIRSTDISCUSSESTHECONCEPTSANDWORKSOFRATCHETDEVICES,WHICHHIGHLIGHTSTHEPHENOMENONOFARATCHETSYSTEM,ISDUETOTHEEXISTENCEINTHEASYMMETRICRATCHETPOTENTIALESSENTIALLY,THEFORMATIONOFRATCHETUPWILLDUETOSYSTEMOFASYMMETRICSYMMETRICOPERATIONWITHFURTHERCANBEA
3、TTRIBUTEDTORATCHETPOTENTIALENERGYSYSTEMSEXISTASPACEASYMMETRICALPOTENTIALENERGYRATCHETSYSTEMISAKINDOFUSING“INPUT“AND“OUTPUT“DIRECTIONTOREALIZETHEASYMMETRYOF“WORKCAN“ATHERMODYNAMICMECHANISMTRANSFORMATIONINSPECIFICSYSTEMANDTHENPERFORMINGTHESIMPLESTREFRIGERATORFUNCTIONSUPONLOADING,ANDANALYZEITSMECHANISM
4、【KEYWORDS】RATCHETDEVICESRATCHETREFRIGERATORASYMMETRICPOTENTIALFUNCTIONII目录摘要IABSTRACTI目录II1绪论111前言112研究进展12RATCHET的概念33RATCHET器件431RATCHET器件的工作原理432RATCHET器件类型（部分）6321棘轮变速机6322基于RATCHET效应的平面纳米二极管6323RATCHET的生物学，医学运用64RATCHET势能与数值模拟741什么是RATCHET势能742RATCHET势能的数值模拟75RATCHET制冷951RATCHET制冷原理发展的意义952RATC
5、HET制冷定义及原理953RATCHET制冷和冰箱制冷的区别116总结12参考文献13致谢（宋体，加粗，小二号字，居中）错误未定义书签。附录（宋体，加粗，小二号字，居左）错误未定义书签。11绪论11前言众所周知，现代社会的迅猛发展,人们对机械的要求越来越高，很多情况下希望随机的输入能获得单方向的输出，并且要求这是不可逆的。为了迫切解决这个问题，现在,人们已经越来越感兴趣学习网电压，研究非对称输运。非对称输运不仅在基础科学上有很重要的学术价值,而且在实际应用上也有很诱人的前景,因此引起了物理学各个领域的广泛兴趣。当非对称输运出现时,利用确定或随机的扰动在长时间范围内平均都为零就可以产生定向传输。
6、在不对称空间，运输周期的潜力棒产生驱动力量。这种现象通常是被称为棘轮效应。现在分子马达影响棘轮效应。颗粒状胶体物质是运输原子的光学陷阱，电子在不对称几何学中传递,漩涡，在约瑟夫森结则运输和操纵超导体。这其实就是RATCHET模型，在物理学和生物学中被称为RATCHET效应。由RATCHET势模型所建立的HACHET动力学还被用来描述一些非常复杂的系统，如超振荡护模型。12研究进展据报道,对称的噪声可产生网电压、和纠正直流电压。我们已经知道了相关的对称的噪音也能产生净电压,源于系统的破坏对称纠纷的加性和乘性之间的相关性噪音。以上所述的所有工作的约瑟夫森结则被集中在运输引起对电子噪音。生产的原因是
7、对电子运输系统的对称性破坏。现在不对称系统使概率的波动对双方的势垒不同,所以,就对电子的运输能量在回应的运输，源于对电子噪声的能量。目前,我们的目标是调查对电子的运输存在混沌信号现在我们将不考虑噪声。一些不同寻常的行为导致混沌信号报道净电压、混沌信号的现象产生共鸣。总之,我们报导了一些额外的方面，负面的流动性,共振活化和NOISEENHANCE稳定。如材料出现的这些现象,多谐振活化的山峰，当前的逆转，NOISEWEAKENED稳定性等的平均速度，棘轮系统THERMALINERTIAL周期信号与恒定偏差周期情况。它尚需进一步研究THERMALINERTIAL棘轮系统。所有的结果现象的非线性依赖平
8、均再造速度对外界（或内部）部分参数，如价值的持续不断的偏移力量、驱动频率、噪音强度、等等。此外，人们提出了一些数字可以显示最低平均速度和噪声的力量。人们慢慢研究出了棘轮变速机，根据日常生活中各种交通工具振动现象,分析了减少交通工具振动的方法。设计了一种基于基于双爪棘轮的减振发电装置,该装置充分利用振动过程往复运动的能量,在减少交通工具振动幅度的同时，把振动能量转化成可以实时存储的电能同时为用户设计用电接口,使用方便，操作简单。该装置的设计为开发日常生活中潜在的清洁能源提供了新方法,是一种具有广2阔发展前景的产品。采用二维系综蒙特卡罗方法对平面纳米结构的电响应特性进行了详细地研究。计算结果表明纳
9、米结构加工过程所带来的表面电荷能够用来改变纳米沟道中的电场分布,从而使得纳米沟道中的电势分布呈现出空间不对称。由于RATCHET效应,此时通过纳米沟道的电子输运将体现出方向性,这使得该器件具有类似于二极管的电流电压特性曲线。通过优化结构,还可以获得开启电压为零的器件。由于该器件为纳米量级,因此具有很快的响应速度。模拟结果表明在亚太赫兹波段,该器件有不为零的整流信号输出。在化学上，分子在三磷酸腺苷的水溶液中，会沿着一定的路径连续的运转，这就是分子马达现象。那么，究竟是什么使得分子可以有这样的运动性质呢在什么样的条件下分子马达可以存在呢在数学上，TILTINGRATCHET模型就是被提出来描述分子
10、马达现象的一种模型。TILTINGRATCHET模型描述的过程是具有某种周期性的耦合扩散过程。它描述的是分子在两种不同的状态之间跳动的模型，同时，有外在作用的周期性势能。存在旋转速率的两个必要条件不同状态之间的跳动和不对称的势能函数。32RATCHET的概念RATCHET，现在大家越来越喜欢谈论RATCHET。那到底什么是RATCHET大家先考虑一个最常见的现象我们平时骑的自行车，当我们用力向前蹬车时，车车轮向前转；当我们向后蹬车时，车轮不转。这就可以保证，即便是我们的脚随机的前后蹬车，车都会始终向前运行。自行车的这种设计便利用了所谓的“RATCHET效应”随机的输入获得单方向的输出，这是不可
11、逆的。而自行车的RATCHET使得随机的输入角动量获得单方向的角动量，它本质上是一个角速度不对称的系统。在不对称空间运输周期的潜力棒的驱动力量，这种现象通常是被称为“棘轮效应”。热力学第二定律，是这么说的，不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。所以，当我们仔细思考这个能使随机运动单向转化的系统时，就立即会发现一些问题如果我们将RATCHET系统，比如一辆自行车缩小到纳米尺度，假设它的一切性能保持不变，那么仅靠空气分子的热运动撞击脚蹬，自行车便会单方向的运行；随着过程的继续，“纳米自行车
12、”便越走越快，空气分子的热能便毫无保留的单方向的转化成机械能，于是一台“第二类永动机”就此诞生了。这显然是很荒谬的，但是如果想给这个佯谬一个合理的解释，我们就得从RATCHET系统的工作机理来说起43RATCHET器件31RATCHET器件的工作原理为了说明RATCHET的工作原理我们先看一个比较简单的例子我们试图发明一个违反热力学第二定律的装置，它是一个能从所有东西都处在相同温度的热库中取出功来的小玩意。如图（1）所示两个热库温度分别为1T，2T，一根轴穿过这两个热库，右端连着一个叶片，叶片足够的小，以致能够在空气分子的碰撞下自由转动；左端连接一个齿轮，并且被一个称作掣爪的弹簧片有倾向性的压
13、住，以使齿轮可以消耗较小的力矩沿着一个方向转动，而同时在弹簧片不翘起的情况下，不会沿反方向发生转动。为了说明系统所做的机械功，我们在转轴的中部悬挂一个重物，起附加力矩设为L。我们注意到，所有这些能量都完全相等，但符号则相反。这样，重物或者缓慢升高，或者缓慢放下，取决于这两个比率中哪一个更大一些。当然，它不断上下跳动，一会升高，一会降低，但我们讲的是平均的行为。图（1）再次强调，这个装置足够的轻巧，以至于在空气分子的碰撞下可以运行。由于气体分子撞在叶片上，叶片会振动和跳动，我们要做的是在轴的另一端套上一个转轮，它只能沿一个方向转动，这就是棘轮和擎爪。然而随后我们便可以看到问题也就出在这里。我们知
14、道，即便左侧的齿轮欲正向转动，也需要先用轮齿将压在上面的弹簧片顶起，然后再转过一个小角度。抬起弹簧片至一个轮齿的高度是需要做功的，我们设其为；又若此时齿轮转过一5个角度，则系统对外所做的机械功为L，而根据能量守恒，右侧的热库输入的功至少应为L，根据热力学定律，此事件发生的概率应为/1/KTLE其中/1是归一化常数。同时我们可以发现，左侧热库的分子也在不断地撞击着齿轮和弹簧片，而使得弹簧片由于布朗运动不断地抬起和落下，而在弹簧片被分子撞击而抬起高过一个轮齿的时间内，齿轮既有可能向前转动，也有可能向后转动，即此时掣爪处于失灵状态，在热力学中，此事件发生的概率为/2/KTE。假如对于某个特定的重物，
15、重物的大小正好使这两个事件发生的概率刚好相等，重物质量的微小改变，会导致RATCHET系统相应的微小变化，此时这个热机便构成了一个可逆的卡诺热机，这个平衡条件为21/TTL。假如系统缓缓提起重物，叶片取得的热量为1Q，释放给齿轮的热量为2Q，这两个能量之比为/L，假如我们缓缓的降低重物，也会有/21LQQ，因此2121TTQQ，更直观的说明亦可见下表。此外，我们所得出的功与叶片取得的能量之比和L与L之比相同，因此也就是TTT/21。显然，以上分析表明，当TTT21时，系统正常工作，正向运动的概率与反常工作，反向运转的概率皆为/KTLE，因此，空气中的纳米自行车由于各部分温度相同而不会单方向运动
16、。32RATCHET器件类型（部分）6321棘轮变速机人们慢慢研究出了棘轮变速机，根据日常生活中各种交通工具振动现象,分析了减少交通工具振动的方法设计了一种基于双爪棘轮的减振发电装置,该装置充分利用振动过程往复运动的能量,在减少交通工具振动幅度的同时,把振动能量转化成可以实时存储的电能同时为用户设计用电接口,使用方便,操作简单该装置的设计为开发日常生活中潜在的清洁能源提供了新方法,是一种具有广阔发展前景的产品。322基于RATCHET效应的平面纳米二极管采用二维系综蒙特卡罗方法对平面纳米结构的电响应特性进行了详细地研究。计算结果表明纳米结构加工过程所带来的表面电荷能够用来改变纳米沟道中的电场分
17、布,从而使得纳米沟道中的电势分布呈现出空间不对称。由于RATCHET效应,此时通过纳米沟道的电子输运将体现出方向性,这使得该器件具有类似于二极管的电流电压特性曲线。通过优化结构,还可以获得开启电压为零的器件。由于该器件为纳米量级,因此具有很快的响应速度。模拟结果表明在亚太赫兹波段,该器件有不为零的整流信号输出。323RATCHET的生物学，医学运用PREPROTEINS展开和导入到线粒体是得益于一个分子马达的热休克蛋白70HSP70在矩阵中起着至关重要的作用。首先,PREPROTEINS含有无限的谷氨酸POLYE或甘氨酸POLYG重复前面是折叠领域引入到线粒体。虽然不能将这发生在这些延伸HSP
18、70展开折叠的领域,因为它不绑定POLYE和POLYG。其次,PREPROTEINS含有肌联蛋白免疫球蛋白搞笑式的领域是进口到线粒体,尽管事实是力量的PN需要200机械展这些领域。自从分子马达产生力量,HSP705不能促进半导体器件的IGLIKE域而展开的机械拉动。我们的观察表明HSP70的一个要素,作为布朗棘轮,介导展开和易位的线粒体膜PREPROTEINS穿过。医学上，我们测量量子棘轮效应的旋涡朝着准一维JOSEPHSON结阵列。在这固态器件的形状涡势能，因此，能带结构，可以准确地设计。这一带结构决定了存在或不存在的量子棘轮效应。特别是，非对称结构，只有一个带拥有以下的屏障不展示当前整顿在
19、低温和偏置电流。量子性质的运输也显示在一个普遍/NONUNIVERSAL幂律依赖的测量电压，电流特性的样品无/与整改。74RATCHET势能与数值模拟41什么是RATCHET势能上面提过，RATCHET效应，即随机的输入获得单方向的输出，这是不可逆的。而自行车的RATCHET使得随机的输入角动量获得单方向的角动量，它本质上是一个角速度不对称的系统。在不对称空间运输周期的潜力棒驱动力量，这种现象通常是被称为棘轮效应。从本质上来讲，RATCHET的形成要归因于系统对称操作下的不对称性。跟进一步地，可以归因于系统中存在RATCHET势能一种空间不对称的势能。RATCHET系统是一种利用输入与输出方向
20、的不对称性来实现功能转化的一种热力学机制。42RATCHET势能的数值模拟比如上例中我们可以将系统在正常工作下的势能写作0,0,U上述模型是一个思想模型，结构有些理性化，并且有些复杂。在实际研究中，我们常常采用一些更本质，更简单的模型去研究RATCHET现象，比如一维随机模型。其动力学方程可写为（1）周期性RATCHET势能为（2）并且有（3）如图（2）8图（2）上述动力学方程中，T是来自热运动白噪声的涨落力，它满足如下条件1）平均值为零（4）2）涨落扩散定理（5）事实上，对于很多动力学系统，（1）式中的往往可以忽略不计，于是（1）式可改写为（6）如果要对上式进行数值模拟，还可进行进一步的操作
21、令随机步长0T，且TNTN则（6）式改写为离散的形式（7）同时可以注意到，涨落力T的二阶矩2N并非无穷大，而是（8）这样，我们就可以通过选取特定的时间长度来数值模拟一维情况下的RATCHET模型。95RATCHET制冷51RATCHET制冷原理发展的意义冷却技术不仅对我们的日常生活中，对科技进展都产生了重大的影响。很长时间以来，当我们出汗,身体蒸发冷却产生冷却液。在国内冰箱、高科技的冷却方法有激光冷却、磁制冷、辐射冷却、和量子冷却。大家都知道，温度是可以直接测量，而热的波动,是不能直接观测的。但近年来，纳米技术和分子生物学,却使这种事情变得可能。我们能够操纵,甚至制造一个分子标度,在那里热波动
22、可能不再被忽略。运行这样的机器,我们可以从他们的宏观运行相对应复制他们的模式另一种可能更有前途的方法,就是利用热波动,而不是与他们对抗。例如布朗马达，通过力量改变来影响热波动。基于微观冷却布朗马达在其中,这就更突出了RATCHET制冷的发展意义。52RATCHET制冷定义及原理我们都知道，对于一般的热机，比如卡诺热机，其正循环可以通过两个热源的温差来产生机械功，其逆循环则可以利用机械功来提高两个热源的温差，于是从某种意义上来讲，这便产生了一个制冷的机制，这是一个普遍的现象，可以当做热力学第二定律的一个推论看待。显然，之前我们所讨论的RATCHET热机，其逆过程便是一个微观的制冷机，这便是RAT
23、CHET制冷。机械总是越简单的效率反而越高。况且作为微观的机械，越是拥有简单的模型结构就越是易于实现和进行理论分析。这里我们讨论一个只有两个元件组成的单结构RATCHET制冷机模型，它是由CVANDENBROECK,RKAWAI和PMEURS于2004年提出的。如图（3）所示，这个制冷机是由一个顶角为2的三棱柱和一个浆连接而成，在两个热源之间形成一个不对称的RATCHET机制。图（3）10为了直观的说明一下这个制冷机的工作原理，我们先讨论下它的一个最简单的逆过程在图B的上方的热源中，分子固定不动即02T，分子质量为2M；下方热源中温度1T，分子以速度V运动（MTKVB21），每个分子的质量为1
24、M；热机系统的总质量为M。假设所有的碰撞都是完全弹性的，当某一时刻，下方热源的一个分子向左撞击浆时，RATCHET以U向左运动，当它与上方静止的一个分子发生水平碰撞时，获得的动量为12PMU（向右）；当下方的分子向右撞击浆时，RATCHET以U向左运动，当它与上方静止的一个分子发生水平碰撞时，获得的动量为222SINPMU（向左），于是在随机运动的驱动下，RATCHET以21221SINPPPMU的动量向右运动，这便是该RATCHET系统运动不对称的机制。对于一般的情况，我们有此热机平均移动速度与温度的关系式（9）可见，当12TT时，热机向右移动；当12TT时，热机向左移动。进而我们可以继续探
25、讨RATCHET的制冷机制。由于在热力学中，热流动力定义为221111TXTTTT；热流12QJLX，在温差不大的情况下，令12/2,/2TTTTTT，上式化简为（10）F便是外界的策动力，这也就是RATCHET的制冷机制。当然，在实际操作中，我们还要考虑RATCHET制冷机自身的热导和摩擦热，因此RATCHET制冷机的机械效率需要进一步的计算和模拟。下图便是对上述RATCHET实际制造的一种可能的构想。11图（4）同时，我们对策动力F也有一定的限制（11）由一些镶嵌成旋转运动的力量看见两极分化的（图4）。这样就能做到一边冷却并一边加热，可以说是布朗冰箱。加热后的系统PREDESIGNED的路
26、子，也可能应用于分子生物学。53RATCHET制冷和冰箱制冷的区别电冰箱是利用液体（氟利昂）相变过程中吸热和放热来实现制冷的即液体在压强较小的低温热源吸热并蒸发成气体，气体又流入压强较大的高温热源凝结成液体并放出热量，这样的循环便实现了电冰箱的制冷。而RATCHET本质上是一个微观系统的热机，它将高温热源的分子无规则热运动转化为低温热源的机械功，同时伴随着高温热源温度的下降和低温热源温度的升高；这个过程是可逆的，也就是说，如果我们在低温热源施加一定的机械功，让RATCHET逆转，那么低温热源的温度就会下降，而高温热源的温度就会升高，从而实现制冷。126总结本文主要研究了分子RATCHET的机理
27、，RATCHET势能模拟，及其RATCHET制冷的各方面问题，得出以下结论1RATCHET系统是一种利用输入与输出方向的不对称性来实现功能转化的一种热力学机制，在具体的系统中，这一机制可以靠系统的不对称的RATCHET势能来实现。但从本质上来讲，则个机制仍然逃不出热力学定律尤其是第二定律的限制；以上的分析不仅验证了热力学第二定律的正确性，同时也启示我们，宏观的机械原理想要应用到微观领域，有一些是要失效的，如果不考虑微观世界的随机性或者不确定性，有时会得到荒谬的结果。当然，反过来讲，如果我们能充分利用微观领域的不确定机制，也会得到一些有意义的宏观效应。近年来备受关注的超导体中不对称势所产生的JO
28、SEPHSON结便是一个很好的例子。2我们都知道，对于一般的热机，比如卡诺热机，其正循环可以通过两个热源的温差来产生机械功，其逆循环则可以利用机械功来提高两个热源的温差，于是从某种意义上来讲，这便产生了一个制冷的机制，这是一个普遍的现象，可以当做热力学第二定律的一个推论看待。显然，之前我们所讨论的RATCHET热机，其逆过程便是一个微观的制冷机，这便是RATCHET制冷。机械总是越简单的效率反而越高。况且作为微观的机械，越是拥有简单的模型结构就越是易于实现和进行理论分析。这里我们讨论一个只有两个元件组成的单结构RATCHET制冷机模型，它是由CVANDENBROECK,RKAWAI和PMEUR
29、S于2004年提出的。13参考文献1THEFEYNMANLECTURESONPHYSICSRPFEYNMAN,RBLEIGHTON,MSANDSADDISONWESLEYPUBLISHINGCOMPANY，19642PRIEMANN/PHYSICSREPORTS3612002572653CVANDENBROECK,RKAWAIBROWNIANREFRIGERATORPRL96,21060120064JINGHUILIANDJERZYUCZKATHERMALINERTIALRATCHETEFFECTSNEGATIVEMOBILITY,RESONANTACTIVATION,NOISEENHANCE
30、DSTABILITY,ANDNOISEWEAKENEDSTABILITYPHYSICALREVIEWE82,04110420105LIJINGHUIANDHANYINXIANETVOLTAGEANDPHENOMENONOFRESONANCEINDUCEDBYCHAOTICSIGNALFORASUPERCONDUCTINGJUNCTIONSDEVICECOMMUNTHEORPHYSBEIJING,CHINA462006PP6476506热力学、统计物理汪志诚高等教育出版社7固体物理基础阎守胜北京大学出版社8热力学、气体运动论和统计力学吴大猷中国科学技术出版社9朗道理论物理教程之统计物理学（）LA
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32、INDUCEDBYCHAOTICSIGNALFORASUPERCONDUCTINGJUNCTIONSDEVICELIJINGHUIANDHANYINXIADEPARTMENTOFPHYSICS,NINGBOUNIVERSITY,NINGBO315211,CHINARECEIVEDDECEMBER16,200514BROWNIANREFRIGERATORCVANDENBROECKHASSELTUNIVERSITY,B3590DIEPENBEEK,BELGIUMRKAWAIUNIVERSITYOFALABAMAATBIRMINGHAM,BIRMINGHAM,ALABAMA35294,USARECE
33、IVED6FEBRUARY2006PUBLISHED1JUNE200615THERMALINERTIALRATCHETEFFECTSNEGATIVEMOBILITY,RESONANTACTIVATION,NOISEENHANCEDSTABILITY,ANDNOISEWEAKENEDSTABILITYJINGHUILI1ANDJERZYUCZKA21FACULTYOFSCIENCE,NINGBOUNIVERSITY,NINGBO315211,PEOPLESREPUBLICOFCHINA2INSTITUTEOFPHYSICS,UNIVERSITYOFSILESIA,40007KATOWICE,PO
34、LANDRECEIVED26MAY2009REVISEDMANUSCRIPTRECEIVED10JUNE2010PUBLISHED7OCTOBER201016PJUNG,JGKISSNER,ANDPHANGGI,PHYSREVLETT7619963436RBARTUSSEK,PHANGGI,ANDJGKISSNER,EUROPHYSLETT281994459BLINDER,ETAL,PHYSREVE591999141717RBENZI,ASUTERA,ANDAVULJUANI,JPHYSA141981L453BMCNAMARAANDKWIESENFELD,PHYSREVA39198948541418JIALULINCHENDONG,ZCAO,ZSHUANGCHUNWENPOLARIZATIONINSENSIWWWLW20COMTIVEWAVELENGTHCONVERSIONBASEDONORTHOGONALPUMPFOURWAVEMIXINGFOR
