Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

Tracer diffusion beyond Gaussian behavior: explicit results for general single-file systems

Published 24 Jan 2024 in cond-mat.stat-mech | (2401.13409v2)

Abstract: Single-file systems, in which particles diffuse in narrow channels while not overtaking each other, is a fundamental model for the tracer subdiffusion observed in confined geometries, such as in zeolites or carbon nanotubes. Twenty years ago, the mean squared displacement of a tracer was determined at large times, for any diffusive single-file system. Since then, for a general single-file system, even the determination of the fourth cumulant, which probes the deviation from Gaussianity, has remained an open question. Here, we fill this gap and provide an explicit formula for the fourth cumulant of an arbitrary single-file system. Our approach also allows us to quantify the perturbation induced by the tracer on its environment, encoded in the correlation profiles. These explicit results constitute a first step towards obtaining a closed equation for the correlation profiles for arbitrary single-file systems.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (39)
  1. H. Spohn, Large scale dynamics of interacting particles (Springer Berlin, Heidelberg, 1991).
  2. M. R. Evans and T. Hanney, J. Phys. A: Math. Gen. 38, R195 (2005).
  3. B. Derrida, J. Stat. Mech. 2007, P07023 (2007).
  4. T. Chou, K. Mallick, and R. K. Zia, Rep. Prog. Phys. 74, 116601 (2011).
  5. T. E. Harris, J. Appl. Probab. 2, 323 (1965).
  6. D. G. Levitt, Phys. Rev. A 8, 3050 (1973).
  7. R. Arratia, Ann. Probab. 11, 362 (1983).
  8. K. Hahn, J. Kärger, and V. Kukla, Phys. Rev. Lett. 76, 2762 (1996).
  9. Q.-H. Wei, C. Bechinger, and P. Leiderer, Science 287, 625 (2000).
  10. M. Kollmann, Phys. Rev. Lett. 90, 180602 (2003).
  11. B. Derrida and A. Gerschenfeld, J. Stat. Phys. 136, 1 (2009a).
  12. B. Derrida and A. Gerschenfeld, J. Stat. Phys. 137, 978 (2009b).
  13. P. Krapivsky and B. Meerson, Phys. Rev. E 86, 031106 (2012).
  14. C. Hegde, S. Sabhapandit, and A. Dhar, Phys. Rev. Lett. 113, 120601 (2014).
  15. P. L. Krapivsky, K. Mallick, and T. Sadhu, Phys. Rev. Lett. 113, 078101 (2014).
  16. P. L. Krapivsky, K. Mallick, and T. Sadhu, J. Stat. Phys. 160, 885 (2015).
  17. T. Sadhu and B. Derrida, J. Stat. Mech: Theory Exp. 2015, P09008 (2015).
  18. T. Imamura, K. Mallick, and T. Sasamoto, Phys. Rev. Lett. 118, 160601 (2017).
  19. T. Imamura, K. Mallick, and T. Sasamoto, Commun. Math. Phys. 384, 1409 (2021).
  20. B. Derrida and T. Sadhu, J. Stat. Phys. 176, 773 (2019a).
  21. B. Derrida and T. Sadhu, J. Stat. Phys. 177, 151 (2019b).
  22. K. Mallick, H. Moriya, and T. Sasamoto, Phys. Rev. Lett. 129, 040601 (2022).
  23. E. Bettelheim, N. R. Smith, and B. Meerson, Phys. Rev. Lett. 128, 130602 (2022a).
  24. E. Bettelheim, N. R. Smith, and B. Meerson, J. Stat. Mech: Theory Exp. 2022, 093103 (2022b).
  25. A. Krajenbrink and P. Le Doussal, Phys. Rev. E 107, 014137 (2023).
  26. H. Spohn, J. Phys. A 16, 4275 (1983).
  27. F. Spitzer, Adv. Math. 5, 246 (1970).
  28. C. Kipnis, C. Marchioro, and E. Presutti, J. Stat. Phys. 27, 65 (1982).
  29. S. Katz, J. L. Lebowitz, and H. Spohn, Phys. Rev. B 28, 1655 (1983).
  30. S. Katz, J. L. Lebowitz, and H. Spohn, J. Stat. Phys. 34, 497 (1984).
  31. A. Krajenbrink and P. Le Doussal, Phys. Rev. Lett. 127, 064101 (2021).
  32. A. Krajenbrink and P. Le Doussal, Phys. Rev. E 105, 054142 (2022).
  33. A. Grabsch, P. Rizkallah, and O. Bénichou, SciPost Phys. 16, 016 (2024).
  34. Supplementary Material.
  35. H. Liu, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 36, 21 (2016).
  36. B. Derrida and A. Gerschenfeld, J. Stat. Phys. 137, 978 (2009).
  37. D. B. Owen, Commun. Stat. Simul. Comput. 9, 389 (1980).
  38. J. Krug and J. Garcia, J. Stat. Phys. 99, 31 (2000).
  39. A. Kundu and J. Cividini, Europhys. Lett. 115, 54003 (2016).
Citations (2)

Summary

Paper to Video (Beta)

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 1 like about this paper.