×

Phase synchronization in tilted inertial ratchets as chaotic rotators. (English) Zbl 1309.34101

Summary: The phenomenon of phase synchronization for a particle in a periodic ratchet potential is studied. We consider the deterministic dynamics in the underdamped case where the inertia plays an important role since the dynamics can become chaotic. The ratchet potential is tilted due to a constant external force and is rocking by an external periodic forcing. This potential has to be tilted in order to obtain a rotator or self-sustained nonlinear oscillator in the absence of the external periodic forcing; this oscillator then acquires an intrinsic frequency that can be locked with the frequency of the external driving. We introduced an instantaneous linear phase, using a set of discrete time markers, and the associated average frequency, and show that this frequency can be synchronized with the frequency of the driving. We calculate Arnold tongues in a two-dimensional parameter space and discuss their implications for the chaotic transport in ratchets. We show that the local maxima in the current correspond to the borders of these Arnold tongues; in this way we established a link between optimal transport in ratchets and phase synchronization.{
©2008 American Institute of Physics}

MSC:

34D06 Synchronization of solutions to ordinary differential equations
37D45 Strange attractors, chaotic dynamics of systems with hyperbolic behavior

References:

[1] DOI: 10.1017/CBO9780511755743 · doi:10.1017/CBO9780511755743
[2] DOI: 10.1063/1.1554606 · doi:10.1063/1.1554606
[3] DOI: 10.1016/S0370-1573(02)00137-0 · Zbl 0995.37022 · doi:10.1016/S0370-1573(02)00137-0
[4] DOI: 10.1142/S0218127400000025 · Zbl 1089.34524 · doi:10.1142/S0218127400000025
[5] DOI: 10.1063/1.166235 · doi:10.1063/1.166235
[6] Anishchenko V. S., Nonlinear Dynamics of Chaotic and Stochastic Systems (2002)
[7] DOI: 10.1063/1.1895505 · doi:10.1063/1.1895505
[8] DOI: 10.1016/S0370-1573(01)00081-3 · Zbl 1001.82097 · doi:10.1016/S0370-1573(01)00081-3
[9] DOI: 10.1007/s003390201331 · doi:10.1007/s003390201331
[10] DOI: 10.1007/s003390201401 · doi:10.1007/s003390201401
[11] DOI: 10.1002/andp.200410121 · Zbl 1160.82332 · doi:10.1002/andp.200410121
[12] DOI: 10.1088/0953-8984/17/1/001 · doi:10.1088/0953-8984/17/1/001
[13] DOI: 10.1063/1.166334 · Zbl 0968.82005 · doi:10.1063/1.166334
[14] DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.3436 · doi:10.1103/PhysRevLett.76.3436
[15] DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.258 · doi:10.1103/PhysRevLett.84.258
[16] DOI: 10.1016/S0167-2789(02)00510-9 · Zbl 0998.82032 · doi:10.1016/S0167-2789(02)00510-9
[17] DOI: 10.1016/S0378-4371(03)00187-0 · Zbl 1023.82514 · doi:10.1016/S0378-4371(03)00187-0
[18] DOI: 10.1016/S0378-4371(01)00485-X · Zbl 1098.70526 · doi:10.1016/S0378-4371(01)00485-X
[19] DOI: 10.1016/S0375-9601(02)00188-3 · Zbl 0994.70017 · doi:10.1016/S0375-9601(02)00188-3
[20] DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.234102 · doi:10.1103/PhysRevLett.91.234102
[21] DOI: 10.1103/PhysRevE.68.067201 · doi:10.1103/PhysRevE.68.067201
[22] DOI: 10.1088/0953-8984/17/47/006 · doi:10.1088/0953-8984/17/47/006
[23] DOI: 10.1016/j.physa.2006.11.061 · doi:10.1016/j.physa.2006.11.061
[24] DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.160801 · doi:10.1103/PhysRevLett.98.160801
[25] DOI: 10.1016/j.physa.2008.03.027 · doi:10.1016/j.physa.2008.03.027
[26] DOI: 10.1016/S0921-4534(02)01232-7 · doi:10.1016/S0921-4534(02)01232-7
[27] DOI: 10.1126/science.1090390 · doi:10.1126/science.1090390
[28] DOI: 10.1038/nature04595 · doi:10.1038/nature04595
[29] DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.057003 · doi:10.1103/PhysRevLett.94.057003
[30] DOI: 10.1103/PhysRevB.73.014507 · doi:10.1103/PhysRevB.73.014507
[31] DOI: 10.1007/s003390201326 · doi:10.1007/s003390201326
[32] DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.090603 · doi:10.1103/PhysRevLett.95.090603
[33] DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.177006 · doi:10.1103/PhysRevLett.95.177006
[34] DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.207003 · doi:10.1103/PhysRevLett.95.207003
[35] DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.117005 · doi:10.1103/PhysRevLett.98.117005
[36] DOI: 10.1103/PhysRevB.76.212507 · doi:10.1103/PhysRevB.76.212507
[37] DOI: 10.1103/PhysRevB.71.214303 · doi:10.1103/PhysRevB.71.214303
[38] DOI: 10.1103/PhysRevE.73.021102 · doi:10.1103/PhysRevE.73.021102
[39] Baker G. L., Chaotic Dynamics (1990) · Zbl 0712.58002
[40] DOI: 10.1007/978-3-642-61544-3_4 · doi:10.1007/978-3-642-61544-3_4
[41] DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.038101 · doi:10.1103/PhysRevLett.91.038101
[42] DOI: 10.1016/j.physrep.2003.10.015 · doi:10.1016/j.physrep.2003.10.015
[43] DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.160601 · doi:10.1103/PhysRevLett.94.160601
[44] DOI: 10.1088/1367-2630/7/1/029 · doi:10.1088/1367-2630/7/1/029
[45] DOI: 10.1103/PhysRevE.67.046212 · doi:10.1103/PhysRevE.67.046212
[46] DOI: 10.1016/j.physa.2004.02.063 · doi:10.1016/j.physa.2004.02.063
[47] DOI: 10.1103/PhysRevE.69.056115 · doi:10.1103/PhysRevE.69.056115
[48] DOI: 10.1103/PhysRevB.71.214303 · doi:10.1103/PhysRevB.71.214303
[49] DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.150605 · doi:10.1103/PhysRevLett.99.150605
[50] DOI: 10.1103/PhysRevE.77.021129 · doi:10.1103/PhysRevE.77.021129
[51] DOI: 10.1103/PhysRevA.30.1970 · doi:10.1103/PhysRevA.30.1970
[52] DOI: 10.1063/1.1858651 · doi:10.1063/1.1858651
[53] DOI: 10.1103/PhysRevLett.82.2820 · doi:10.1103/PhysRevLett.82.2820
[54] DOI: 10.1088/0034-4885/59/8/001 · doi:10.1088/0034-4885/59/8/001
[55] DOI: 10.1016/j.physa.2006.04.086 · doi:10.1016/j.physa.2006.04.086
[56] DOI: 10.1016/j.physa.2007.05.063 · doi:10.1016/j.physa.2007.05.063
[57] DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.040601 · doi:10.1103/PhysRevLett.98.040601
[58] DOI: 10.1209/0295-5075/79/10005 · doi:10.1209/0295-5075/79/10005
[59] DOI: 10.1103/PhysRevE.76.051110 · doi:10.1103/PhysRevE.76.051110
[60] DOI: 10.1103/PhysRevB.77.104509 · doi:10.1103/PhysRevB.77.104509
[61] DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.217001 · doi:10.1103/PhysRevLett.100.217001
[62] DOI: 10.1063/1.1803673 · Zbl 1080.37039 · doi:10.1063/1.1803673
[63] DOI: 10.1103/PhysRevE.72.056213 · doi:10.1103/PhysRevE.72.056213
[64] DOI: 10.1016/j.physa.2005.06.075 · doi:10.1016/j.physa.2005.06.075
[65] DOI: 10.1016/j.physleta.2006.10.086 · doi:10.1016/j.physleta.2006.10.086
[66] DOI: 10.1016/j.physa.2007.05.044 · doi:10.1016/j.physa.2007.05.044
[67] DOI: 10.1016/j.physleta.2008.03.008 · Zbl 1220.90038 · doi:10.1016/j.physleta.2008.03.008
[68] DOI: 10.1103/PhysRevE.72.036210 · doi:10.1103/PhysRevE.72.036210
[69] DOI: 10.1103/PhysRevE.74.035205 · doi:10.1103/PhysRevE.74.035205
[70] DOI: 10.1063/1.2911541 · doi:10.1063/1.2911541
[71] DOI: 10.1016/j.physa.2006.08.038 · doi:10.1016/j.physa.2006.08.038
[72] DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.054102 · doi:10.1103/PhysRevLett.88.054102
[73] DOI: 10.1103/PhysRevA.30.1960 · doi:10.1103/PhysRevA.30.1960
This reference list is based on information provided by the publisher or from digital mathematics libraries. Its items are heuristically matched to zbMATH identifiers and may contain data conversion errors. In some cases that data have been complemented/enhanced by data from zbMATH Open. This attempts to reflect the references listed in the original paper as accurately as possible without claiming completeness or a perfect matching.