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2018-05-08Dissertation DOI: 10.18452/19152
Mesoscopic Models of Stochastic Transport
dc.contributor.authorRadtke, Paul Kaspar
dc.date.accessioned2018-05-08T12:47:47Z
dc.date.available2018-05-08T12:47:47Z
dc.date.issued2018-05-08
dc.identifier.urihttp://edoc.hu-berlin.de/18452/19903
dc.description.abstractTransportphänomene treten in biologischen und künstlichen Systemen auf allen Längenskalen auf. In dieser Arbeit untersuchen wir sie für verschiedene Systeme aus einer mesoskopischen Perspektive, in der Fluktuationen physikalischer Größen um ihre Mittelwerte eine wichtige Rolle spielen. Im ersten Teil untersuchen wir die persistente Bewegung aktiver Brownscher Teilchen mit zusätzlichem Drehmoment, wie sie z.B. für Spermien oder Janus Teilchen auftritt. Wird ihre Bewegung auf einen Tunnel variierender Breite beschränkt, so setzt im thermischen Nichtgleichgewicht Transport ein; ungerichtete Fluktuationen des rauschhaften Antriebs werden gleichgerichtet. Hierdurch wird ein neuer Ratschentyp realisiert. Im zweiten Teil untersuchen wir den intrazellulären Cargotransport in den Axonen von Nervenzellen mithilfe molekularer Motoren. Sie werden als asymmetrischer Ausschlussprozess simuliert. Zusätzlich können die Cargos zwischen benachbarten Motoren ausgetauscht werden. Dadurch lassen sich charakteristische Eigenschaften des langsamen axonalen Transports mit einer einzigen Motorspezies reproduzieren. Bewerkstelligt wird dies durch die transiente Anbindung der Cargos an rückwärtslaufende Motorstaus. Im dritten Teil diskutieren wir resistive switching, die nicht volatile Widerstandsänderung eines Dielektrikums durch elektrische Impulse. Es wird für Anwendungen im Computerspeicher ausgenutzt, dem resistive RAM. Wir schlagen ein auf Sauerstoffvakanzen basierendes stochastisches Gitterhüpfmodell vor. Wir definieren binäre logische Zustände mit Hilfe der zugrunde liegenden Vakanzenverteilung und definieren Schreibe- und Leseoperationen durch Spannungsimpulse für ein solches Speicherelement. Überlegungen über die Unterscheidbarkeit dieser Operationen unter Fluktuationen zusammen mit der Deutlichkeit der unterschiedlichen Widerstandszustände selbst ermöglichen es uns, eine optimale Vakanzenzahl vorherzusagen.ger
dc.description.abstractTransport phenomena occur in biological and artificial systems at all length scales. In this thesis, we investigate them for various systems from a mesoscopic perspective, in which fluctuations around their average properties play an important role. In the first part, we investigate the persistent diffusive motion of active Brownian particles with an additional torque. It can appear in many real life systems, for example in sperm cells or Janus particles. If their motion is confined to a tunnel of varying width, transport arises out of thermal equilibrium; unbiased fluctuations of the noisy drive are rectified. This way, we have realized a novel kind of ratchet. In the second part, we study intracellular cargo transport in the axons of nerve cells by molecular motors. They are modeled by an asymmetric exclusion process. In a new approach, we add a cargo exchange interaction between the motors. This way, the characteristics of slow axonal transport can be accounted for with a single motor species. It is explained by the transient attachment of cargos to reverse walking motors jams. In the third part, we discuss resistive switching, the non-volatile change of resistance in a dielectric due to electric pulses. It is exploited for applications in computer memory, the resistive random access memory (ReRAM). We propose a stochastic lattice hopping model based on the on oxygen vacancies. We define binary logical states by means of the underlying vacancy distributions, and establish a framework of writing and reading such a memory element with voltage pulses. Considerations about the discriminability of these operations under fluctuations together with the markedness of the resistive switching effect itself enable us to predict an optimal vacancy number.eng
dc.language.isoeng
dc.publisherHumboldt-Universität zu Berlin
dc.rights(CC BY-SA 3.0 DE) Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Deutschlandger
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/
dc.subjectstochastische Prozesseger
dc.subjectTransportger
dc.subjectaktive Teilchenger
dc.subjectmolekulare Motorenger
dc.subjectWiderstandsschaltenger
dc.subjectBurgers' Gleichungger
dc.subjectReRAMger
dc.subjectnicht-volatiler Speicherger
dc.subjectRatscheger
dc.subjectLangevin Gleichungger
dc.subjectMastergleichungger
dc.subjectstochastic processeseng
dc.subjecttransporteng
dc.subjectactive particleseng
dc.subjectmolecular motorseng
dc.subjectresistive switchingeng
dc.subjectBurgers' equationeng
dc.subjectReRAMeng
dc.subjectnon-volatile memoryeng
dc.subjectratcheteng
dc.subjectLangevin equationeng
dc.subjectmaster equationeng
dc.subject.ddc530 Physik
dc.titleMesoscopic Models of Stochastic Transport
dc.typedoctoralThesis
dc.identifier.urnurn:nbn:de:kobv:11-110-18452/19903-1
dc.identifier.doihttp://dx.doi.org/10.18452/19152
dc.date.accepted2017-09-14
dc.contributor.refereeSchimansky-Geier, Lutz
dc.contributor.refereeEngel, Harald
dc.contributor.refereeBehn, Ulrich
dc.subject.rvkSK 820
local.edoc.pages162
local.edoc.type-nameDissertation
dc.title.subtitleActive Particles, Molecular Motors and Resistive Switching
bua.departmentMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

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