Effective diffusivity of a Brownian particle in a two-dimensional periodic channel of abruptly alternating width

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作者
Leonardo Dagdug,Alexander M. Berezhkovskii,V. Yu. Zitserman,Sergey M. Bezrukov
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:103 (6) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physreve.103.062106
摘要

We study diffusion of a Brownian particle in a two-dimensional periodic channel of abruptly alternating width. Our main result is a simple approximate analytical expression for the particle effective diffusivity, which shows how the diffusivity depends on the geometric parameters of the channel: lengths and widths of its wide and narrow segments. The result is obtained in two steps: first, we introduce an approximate one-dimensional description of particle diffusion in the channel, and second, we use this description to derive the expression for the effective diffusivity. While the reduction to the effective one-dimensional description is standard for systems of smoothly varying geometry, such a reduction in the case of abruptly changing geometry requires a new methodology used here, which is based on the boundary homogenization approach to the trapping problem. To test the accuracy of our analytical expression and thus establish the range of its applicability, we compare analytical predictions with the results obtained from Brownian dynamics simulations. The comparison shows excellent agreement between the two, on condition that the length of the wide segment of the channel is equal to or larger than its width.
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