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Fluctuation relations and some applications Luca Peliti Dipartimento di Scienze Fisiche and Unit ` a CNISM Universit ` a di Napoli “Federico II” Associato INFN, Sezione di Napoli Napoli, March 3, 2006 – p. 1/5

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Fluctuation relations and some applications

Luca Peliti

Dipartimento di Scienze Fisiche and Unita CNISM

Universita di Napoli “Federico II”

Associato INFN, Sezione di Napoli

Napoli, March 3, 2006 – p. 1/54

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Summary

Small systems

Generalized second law: The Hasano-Sasa relation

Microscopic reversibility and Loschmidt’s paradox

The “time-reversal” identities and the fluctuationtheorems

Exploiting the Jarzynski relation: The histogrammethod

Exploring driven systems: The cloning technique

Perspectives

Napoli, March 3, 2006 – p. 2/54

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Small systems: Artificialnanomachines

A metal-plate rotor attached to a multiwalled nanotubeFennimore et al., 2003

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Small systems: Naturalnanomachines

The kinesin-microtubule system: one 8-nm step every 10–15 msATP −→ ADP + P + ∼ 20 T (kB = 1)Typically ∆W ∼ 12 T , efficiency ∼ 60% Dissipated power: ∼ 20 T per second

Milligan Laboratory, Scripps Research InstituteNapoli, March 3, 2006 – p. 4/54

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Evolution equation

P (x, t): pdf of microstate x

∂P

∂t= Lµ(t) P

Lµ: Liouville operator depending on parameter µManipulation: t −→ µ(t), 0 ≤ t ≤ tf , µ(0) = 0Steady state: for each µ,

Lµ PSSµ = 0, ∀µ

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The Hatano-Sasa relation

φ(x, µ): “Steady state hamiltonian”

φ(x, µ) = − lnP SSµ (x)

Define

A(t) =

∫ t

0

dt′ µ(t′)∂φ

∂µ

∣∣∣∣µ(t′),x(t′)

Then, if the pdf is P SS0 at t = 0,

P SSµ(t)(x) =

⟨δ(x− x(t)) e−A(t)

Average over initial condition and noiseHatano and Sasa, 2001

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Conservative forces: The Jarzynskirelation

For conservative forces

φ(x, µ) =E(x, µ) − Fµ

T

dA(t) =1

Tµ(t)

∂(E − F )

∂µ

∣∣∣∣µ(t),x(t)

=1

Tµ(t)

∂E

∂µ

∣∣∣∣µ(t),x(t)

−1

TdFµ(t) =

1

T(dW − dF )

⟨δ(x− x(t)) e−W/T

⟩= e−(E(x,µ(t))−F0)/T = P eq

µ(t)(x)Zµ(t)

Z0

Jarzynski, 1997Napoli, March 3, 2006 – p. 7/54

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Proof

Consider the joint pdf Φ(x,A, t) of x and AEvolution equation for Φ:

∂Φ

∂t= Lµ Φ + µ

∂φ

∂µ

∂Φ

∂A

Define

Ψ(x, t) =

∫dA e−A Φ(x,A, t)

Then∂Ψ

∂t= Lµ Ψ − µ

∂φ

∂µΨ =

∂te−φ(x,µ(t))

Napoli, March 3, 2006 – p. 8/54

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Driven Brownian particle

Langevin equation:

mri = −γri −∂U

∂ri

+ fi + ηi(t)

〈ηi(t)〉 = 0; 〈ηi(t)ηi(t′)〉 = 2γTδijδ(t− t′), ∀t, t′

Kramers equation (ri = pi/m)

∂P

∂t=

i

{[∂

∂ri

(−pi

m

)P

]

+∂

∂pi

[(γpi

m+∂U

∂ri

− f i

)P + γT

∂pi

P

]}

Napoli, March 3, 2006 – p. 9/54

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Energy balance

E(x) = E(~r, ~p) =∑

i

p2i

2m+ U(~r)

dE =

(−γ

~p

m+ ~η(t)

)· d~r

︸ ︷︷ ︸−dQtot

+ ~f · d~r +∂E

∂µdµ

︸ ︷︷ ︸dWext

dQtot = dQex +

(~f −

∂U

∂~r+ T

∂φ

∂~r

)· d~r +

(−p

m+ T

∂φ

∂~p

)· d~p

︸ ︷︷ ︸dQhk

dA =∂φ

∂µµ dt =

dQex

T+ dφ

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Generalized Second Law

0 = ln TrP SSµ(t)

= ln 〈exp(−A)〉 = ln

⟨exp

(−Qex

T− ∆φ

)⟩

≤ −1

T〈Qex〉 − ∆ 〈φ〉

〈φ〉 = −Tr lnP SS P SS = S[P SS

]

T ∆S ≥ −〈Qex〉

Napoli, March 3, 2006 – p. 11/54

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Entropy balance

Local entropy:s(x, t) = − lnP (x, t)

Crooks,1999; Qian, 2002

dQtot = dQ1 +

(~f −

∂U

∂~r+ T

∂s

∂r

)· d~r +

(−p

m+ T

∂s

∂p

)· d~p

︸ ︷︷ ︸dQ2

⟨dQ1

T

⟩= ds

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Loschmidt’s paradox

Thomson (1874) and Loschmidt (1876):

To every initial state x0 of a mechanical systemleading to a decrease in Boltzmann’s H function,corresponds an initial state Ix0 leading to itsincrease

Napoli, March 3, 2006 – p. 13/54

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Loschmidt’s paradox

Thomson (1874) and Loschmidt (1876):

To every initial state x0 of a mechanical systemleading to a decrease in Boltzmann’s H function,corresponds an initial state Ix0 leading to itsincrease

Boltzmann’s reply (1877):

There are infinitely many more states in a largesystem leading to a decrease in H than thoseleading to its increase

Napoli, March 3, 2006 – p. 13/54

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Loschmidt’s paradox

Thomson (1874) and Loschmidt (1876):

To every initial state x0 of a mechanical systemleading to a decrease in Boltzmann’s H function,corresponds an initial state Ix0 leading to itsincrease

Boltzmann’s reply (1877):

There are infinitely many more states in a largesystem leading to a decrease in H than thoseleading to its increase

In small systems, transient increases of Boltzmann’s H areto be expected

Napoli, March 3, 2006 – p. 13/54

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Microscopic reversibility I

Mechanical system described by x = (p, r)Time reversal operator: I x = (−p, r)Time-reversal invariance of the hamiltonian: E(Ix) = E(x)Solution of the equations of motion:

x(t, x0) : (p, r) =

(−∂E

∂r,∂E

∂p

)

Napoli, March 3, 2006 – p. 14/54

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Microscopic reversibility I

Mechanical system described by x = (p, r)Time reversal operator: I x = (−p, r)Time-reversal invariance of the hamiltonian: E(Ix) = E(x)Solution of the equations of motion:

x(t, x0) : (p, r) =

(−∂E

∂r,∂E

∂p

)

Time reversal of the trajectories

The time-reversed trajectory I x(t, I x0) is also a solution:

Ix(t, I x0) = Ix(−t, x0)

Napoli, March 3, 2006 – p. 14/54

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Microscopic reversibility II

Stochastic evolution equation for the pdf P (x, t):

∂P

∂t= Lµ P

Microscopic reversibility:

Qψ(x) = e−E(x)/T ψ(Ix) : Q−1LQ = L†

For the Kramers equation with non-conservative force ~f :

Q−1LQ = L† −~f

(~p

m

)

Napoli, March 3, 2006 – p. 15/54

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Observations

I speak of Boltzmann’s H and not of the entropy: H isa dynamic observable and the entropy is not

Typically the probability of a fluctuation is ∝ e−F/T

Thus a system is “small” if free energy differences areO(T )

Napoli, March 3, 2006 – p. 16/54

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The time-reversal relation

Evolution operator:

U(t, t0) = T exp

(∫ t

t0

dt′ Lµ(t′)

)

U(t, t0) := Q−1t U(t, t0)Qt0

satisfies

∂tU(t, t0) = Q−1

t U(t, t0)Qt0 + Q−1t Lµ(t)QtU(t, t0)

=

[∂E/T

∂t+ L†

µ(t) −~f

T·~p

m

]U(t, t0)

Napoli, March 3, 2006 – p. 17/54

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Transition probabilities for short timeintervals

Q−1t+∆tU(x′, t+ ∆t;x, t)Qt

= e((E(x′,t+∆t)−E(x,t))/TU(Ix′, t+ ∆t; Ix, t)

= U(x, t+ ∆t;x′, t) exp

[−

(~f

T·~p

m−∂E(x′)

∂t

)∆t

]

U(x′, t+ ∆t;x, t)

U(Ix, t+ ∆t; I x′, t)

= exp

[(~f ·

~p

m∆t−

∂E

∂x(x′ − x)/T

)]

= exp (dQ2/T )Napoli, March 3, 2006 – p. 18/54

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Crooks’s reversal relation

A path is coarsely defined by the “gates”

ω = (x0, 0) −→ (x1, t1) −→ · · ·

· · · −→ (xk−1, tk−1) −→ (xk = x, tk = t)

ThenP (ω, µ|x0, 0)

P (ω, µ| I x, t)=

⟨exp

(∫ t

0

dQ2

T

)⟩

where

ω = (Ix, t0) −→ (Ixk−1, tk−1) −→ · · · −→ (Ix1, t1) −→ (Ix0, t)

tk = t− tk, µ(t) = µ(t)Average over all paths x(t) conditioned by the gates

Napoli, March 3, 2006 – p. 19/54

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Seifert’s relation

Continuous limit: paths ω = x(t), ∀tArbitrary initial pdf’s p0(x0) for ω and p1(Ix) for ω :

R[ω, p0, p1] := lnP (ω, µ|x0, 0)p0(x0)

P (ω, µ| I x, t)p1(Ix)

=

∫ t

0

dQ2

T+ ln

p0(x0)

p1(x1)

Averaging over the paths⟨e−R⟩

= TrP (ω, µ|x0, 0)p0(x0) e−R

= TrP (ω, µ| I x, t)p1(Ix) = 1

Napoli, March 3, 2006 – p. 20/54

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A first fluctuation theorem

1. Entropy production must sometimes be negative!

2. Take p0(x, 0) arbitrary, p1(x) = P (x, t) (starting from thisinitial condition)

R =

∫dQ2

T− ∆s =

∫dQtot

T= ∆stot

ThusP (∆stot)

P (−∆stot)= e∆stot

Napoli, March 3, 2006 – p. 21/54

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The Gallavotti-Cohen fluctuationtheorem

3. In particular for µ(t) = const., p0(x) = p1(x) = P SSµ (x):

R ≃Q2

Tt = σt

P (σ)

P (−σ)= eσt

Gallavotti and Cohen, 1995

Napoli, March 3, 2006 – p. 22/54

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Back to Jarzynski

4. Take p0 = exp(−(Eµ(0) − Fµ(0))/T ) andp1 = exp(−(Eµ(t) − Fµ(t))/T ). Then

R = ∆Sm +[(E(x, t) − Fµ(t)

)−(E(x, 0) − Fµ(0)

)]/T

= Wd/T

Thus1 =

⟨e−Wd/T

⟩=⟨e−W/T

⟩e∆F/T

Napoli, March 3, 2006 – p. 23/54

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Evaluation of free-energy landscapes

F0(M) = −T ln Tr δ(M −M(x)) e−E0(x)/T

Z0 =

∫dM e−F0(M)/T = Tr e−E0(x)/T

Manipulation: t −→ Eµ(t)(x), Eµ(0)(x) = E0(x),

Eµ(x) = E0(x) + Uµ(M(x))

Napoli, March 3, 2006 – p. 24/54

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The basic identity

A. Imparato and L. Peliti, 2005

⟨δ(M −M(x))e−βW

⟩t

=

∫dx δ(M −M(x))

e−βEµ(t)(x)

Z0

= e−(F0(M)−F0)/T e−Uµ(t)(M)/T

Generalization of Hummer and Szabo, 2001

Napoli, March 3, 2006 – p. 25/54

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The histogram method

Thus

eUµ(t)(M)/T⟨δ(M −M(x))e−W/T

⟩t= e−(F0(M)−F0)/T

N trajectories (Mkt ,W

kt ), sampled at discrete times tj

Discrete bins Mℓ ≤M ≤Mℓ + ∆Mℓ

r(Mℓ, tj) = Z0 eUµ(tj )(Mℓ)/T

θℓ(M(tj))e−W/T

= Z0 eUµ(t)(Mℓ)/T 1

N

N∑

k=1

θℓ(Mktj) e

−Wktj

/T

∆R(Mℓ) = e−(F0(Mℓ)−F0)/T δMℓ = 〈r(Mℓ, tj)〉 , ∀ℓ, j

Napoli, March 3, 2006 – p. 26/54

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The best estimate

∆R∗(Mℓ) =∑

j

r(Mℓ, tj)pj

0 ≤ pj ≤ 1,∑

j

pj = 1

Best estimate:

pj =λ

Var r(Mℓ, tj)∝

eUµ(tj )(Mℓ)/T

e−Wtj

Braun et al., 2004

Napoli, March 3, 2006 – p. 27/54

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A mean-field Ising model

F0(M) = −J

2NM 2 − TS(M)

S(M) = −

[(N +M

2

)log

(N +M

2

)

+

(N −M

2

)log

(N −M

2

)]

Uh(M) = −hM

m =M

N

f ∗0 (m) = −

T

NlnR∗(M)

Napoli, March 3, 2006 – p. 28/54

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Linear protocol

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

-1 -0.5 0 0.5 1

tf = 2tf = 10

mh(t) = h0 + h1−h0

tft

h1 = −h0 = 1, tf = 2, 10, N = 10, N = 104 samples

Napoli, March 3, 2006 – p. 29/54

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A larger system

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

tf = 2tf = 10tf = 30

mh(t) = h0 + h1−h0

tft

h1 = −h0 = 1, tf = 2, 10, N = 100, N = 104 samples

Napoli, March 3, 2006 – p. 30/54

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Oscillatory protocol

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

1.2

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

ν = 1/2ν = 2ν = 4ν = 8ν = 16

mh(t) = h0 sin(2πνt), 0 ≤ t ≤ tfh0 = 1, N = 10, J0 = 0.5, tf = 2, N = 104 samples

Napoli, March 3, 2006 – p. 31/54

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At lower temperatures

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

ν = 1/2ν = 2ν = 4ν = 8

mh(t) = h0 sin(2πνt), 0 ≤ t ≤ tfh0 = 1, N = 10, J0 = 1.1, tf = 2, N = 104 samples

Napoli, March 3, 2006 – p. 32/54

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Unzipping of a model homopolymer

z

z

ζ

ζ

Uz(t)(ζ) = 12k (ζ − z(t))2

L-J potential (ǫ, σ) + harmonic potential for successive beadsN = 20, σ = 0.5 nm, ǫ = 1 kcal/mol, m = 3 · 10−25 kg τ =

p

mσ2/ǫ ≃ 3.3 ps,γ = 15m/τ , k = 5000ǫ/σ2, T = 300 K

Napoli, March 3, 2006 – p. 33/54

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Linear protocol

0

100

200

300

400

500

600

700

800

-5 0 5 10 15

F∗ 0(k

BT

)

ζ

5 × 10−4 σ/τ5 × 10−3 σ/τ5 × 10−2 σ/τ

Napoli, March 3, 2006 – p. 34/54

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Oscillatory protocol: “Pulsed”protocol

0

5

10

15

20

25

0 500 1000 1500 2000 2500

t/τ 10−1

ℓ(σ

)(b)

Napoli, March 3, 2006 – p. 35/54

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The free energy

0

100

200

300

400

500

600

700

-5 0 5 10 15

F∗ 0(k

BT

)

ζ

ν = 5 × 10−6

ν = 5 × 10−5

ν = 5 × 10−4

Napoli, March 3, 2006 – p. 36/54

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The “always attached” protocol

0

200

400

600

800

1000

-5 0 5 10 15

F∗ 0(k

BT

)

ζ

ν = 5 × 10−6

ν = 5 × 10−5

ν = 5 × 10−4

Napoli, March 3, 2006 – p. 37/54

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What is happening?

z

z

ζ

ζ

Napoli, March 3, 2006 – p. 38/54

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The configurations

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5

11

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8

z

x

Napoli, March 3, 2006 – p. 39/54

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Discussion

The JE is effective (via the histogram method) toreconstruct free-energy landscapes for systems smallenough (small energy barriers)

Care must be taken that the monitored collectivecoordinate is “good”, i.e., that the distribution of thetransverse degrees of freedom is sufficiently sampledduring manipulation

The choice of the manipulation protocol affects thereliability of the results

Napoli, March 3, 2006 – p. 40/54

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Exploring nonequilibrium systems

C. Giardinà, J. Kurchan, L. Peliti, 2005Evolution equations:

∂Ψ

∂t= LΨ +AΨ

Then Ψ is given by a weighted average:

Ψ(x, t) =

⟨δ(x− x(t)) exp

(∫ t

0

dt′ A(t′)

)⟩

Napoli, March 3, 2006 – p. 41/54

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The weight can be wild

0

1

2

3

4

5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

wWork distribution P (W/N) for the Ising modelDashed line: Weighted work distribution P (W/N)e−W/T

Napoli, March 3, 2006 – p. 42/54

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Can we improve our statistics?

Interpret Ψ(x, t) as a density of walkers

Walkers move according to the Langevin equation

Walkers reproduce or die depending on the local valueof A

Thus Ψ samples the weighted probability, not theoriginal one!

Napoli, March 3, 2006 – p. 43/54

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The Totally Asymmetric ExclusionProcess (TASEP)

At any given time step t, a given particle moves to the rightwith probability α if the target site is emptyConfiguration C = (ni), ni ∈ {0, 1}, i = 1, L, periodic b.c.Current J :

JC′C =

{1, if one particle jumps to the right;

0, if nothing happens.

We wish to evaluate

eΛ(λ) =

⟨exp

(λ∑

t

JCt+1Ct

)⟩

Napoli, March 3, 2006 – p. 44/54

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The large-deviation function

Prob[C0, C1, . . . , CT ] = UCT CT−1· · · UC2C1 · UC1C0

eΛ(λ) =∑

C1,...,CT

UCT CT−1· · · UC1C0 =

CT

[UT]CT C0

whereUC′C := eλJ

C′CUC′C

DefineKC :=

C′

UC′C, U ′C′C ≡ UC′CK

−1C

eΛ(λ) =∑

C2,...,CT

U ′CT CT−1

KCT−1· · ·U ′

C1C0KC0

Napoli, March 3, 2006 – p. 45/54

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The simulation steps

A cloning step:

PC(t+ 1/2) = KCPC(t)

G clones of C : G =

{[KC] + 1, with probability KC − [K[KC], otherwise

Napoli, March 3, 2006 – p. 46/54

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The simulation steps

A cloning step:

PC(t+ 1/2) = KCPC(t)

G clones of C : G =

{[KC] + 1, with probability KC − [K[KC], otherwise

A shift step:

PC′(t+ 1) =∑

C

U ′C′CPC(t+ 1/2)

Napoli, March 3, 2006 – p. 46/54

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The simulation steps

A cloning step:

PC(t+ 1/2) = KCPC(t)

G clones of C : G =

{[KC] + 1, with probability KC − [K[KC], otherwise

A shift step:

PC′(t+ 1) =∑

C

U ′C′CPC(t+ 1/2)

Overall cloning step with an adjustable rateMt = N/(N +G) (the same for all configurations)

Napoli, March 3, 2006 – p. 46/54

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Results

-10 -8 -6 -4 -2 0λ

-1.1

-1

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

σ(λ

)

For long times

− limt→∞

1

tln[MT · · ·M2 ·M1] = lim

t→∞

Λ(λ)

t= σ(λ)

Napoli, March 3, 2006 – p. 47/54

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The configurations

Space-time diagram for a ring of N = 100 sites, λ = −50 and density 0.5

Note the logarithmic scale on the y-axis Napoli, March 3, 2006 – p. 48/54

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Moving shock waves

Space-time diagram for a ring of N = 100 sites, λ = −30 and density 0.3

Napoli, March 3, 2006 – p. 49/54

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The Lorentz gas

xi = −Ei + γ(t)xi, i = 1, 2

γ(t) =

Xi

Eixi

Λ(λ) = ln

exp

�Z t

0dt′ γ(t′)

��

Napoli, March 3, 2006 – p. 50/54

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The Gallavotti-Cohen relation

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3λ

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25E=1 ∆= 10−3

E=2 ∆= 10−3

E=1 ∆= 10−4

E=2 ∆= 10−4

σ(λ

)

Data for ~E = (E, 0), E = 1, 2 and noise intensity ∆ = 10−3, 10−4

Napoli, March 3, 2006 – p. 51/54

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Discussion

Efficient sampling technique (minutes on PC)

So far restricted to steady states

Beyond steady states: sampling of the initial condition(TBD)

Napoli, March 3, 2006 – p. 52/54

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Perspectives

“Local” fluctuation relations

Experimental checks: Electrical circuits (Ciliberto et al.)

Energetics of molecular engines

Napoli, March 3, 2006 – p. 53/54

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Thanks

My collaborators:

Napoli, March 3, 2006 – p. 54/54

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Thanks

My collaborators:

For the exploration of general identities andfree-energy landscapes: Alberto Imparato

For the cloning simulation technique: CristianGiardinà and Jorge Kurchan

Napoli, March 3, 2006 – p. 54/54