Diffusion on Fractals

• Main Author: Prehl, geb. Balg, Janett
• Other Authors: Technische Universität Chemnitz
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: 2007
• Subjects: info:eu-repo/classification/ddc/530; ddc:530; Anomale Diffusion; Diffusion; Fraktal; Fraktale Dimension; Parallelisierung; Parallelverarbeitung; Biased Diffusion; Drift; Master Gleichung; Mean Square Displacement; Random Walk Dimension; Sierpinski Teppich; Subdiffusion; Superdiffusion; äußeres Feld
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200701033; https://monarch.qucosa.de/id/qucosa%3A18745; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18745/attachment/ATT-0/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18745/attachment/ATT-1/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18745/attachment/ATT-2/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18745/attachment/ATT-3/

We study anomalous diffusion on fractals with a static external field applied. We utilise the master equation to calculate particle distributions and from that important quantities as for example the mean square displacement <r^2(t)>. Applying different bias amplitudes on several regular Sierpinski carpets we obtain maximal drift velocities for weak field strengths. According to <r^2(t)>~t^(2/d_w), we determine random walk dimensions of d_w<2 for applied external fields. These d_w corresponds to superdiffusion, although diffusion is hindered by the structure of the carpet, containing dangling ends. This seems to result from two competing effects arising within an external field. Though the particles prefer to move along the biased direction, some particles get trapped by dangling ends. To escape from there they have to move against the field direction. Due to the by the bias accelerated particles and the trapped ones the probability distribution gets wider and thus d_w<2. === In dieser Arbeit untersuchen wir anomale Diffusion auf Fraktalen unter Einwirkung eines statisches äußeres Feldes. Wir benutzen die Mastergleichung, um die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Teilchen zu berechnen, um daraus wichtige Größen wie das mittlere Abstandsquadrat <r^2(t)> zu bestimmen. Wir wenden unterschiedliche Feldstärken bei verschiedenen regelmäßigen Sierpinski-Teppichen an und erhalten maximale Driftgeschwindigkeiten für schwache Feldstärken. Über <r^2(t)>~t^{2/d_w} bestimmen wir die Random-Walk-Dimension d_w als d_w<2. Dieser Wert für d_w entspricht der Superdiffusion, obwohl der Diffusionsprozess durch Strukturen des Teppichs, wie Sackgassen, behindert wird. Es schient, dass dies das Ergebnis zweier konkurrierender Effekte ist, die durch das Anlegen eines äußeren Feldes entstehen. Einerseits bewegen sich die Teilchen bevorzugt entlang der Feldrichtung. Andererseits gelangen einige Teilchen in Sackgassen. Um die Sackgassen, die in Feldrichtung liegen, zu verlassen, müssen sich die Teilchen entgegen der Feldrichtung bewegen. Somit sind die Teilchen eine gewisse Zeit in der Sackgasse gefangen. Infolge der durch das äußere Feld beschleunigten und der gefangenen Teilchen, verbreitert sich die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Teilchen und somit ist d_w<2.