Anomalous diffusion models and their properties: non-stationarity, non-ergodicity, and ageing at the centenary of single particle tracking

文献情報

出版日 2014-09-22
DOI 10.1039/C4CP03465A
インパクトファクター 3.676
著者

Andrey G. Cherstvy, Eli Barkai


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要旨

Modern microscopic techniques following the stochastic motion of labelled tracer particles have uncovered significant deviations from the laws of Brownian motion in a variety of animate and inanimate systems. Such anomalous diffusion can have different physical origins, which can be identified from careful data analysis. In particular, single particle tracking provides the entire trajectory of the traced particle, which allows one to evaluate different observables to quantify the dynamics of the system under observation. We here provide an extensive overview over different popular anomalous diffusion models and their properties. We pay special attention to their ergodic properties, highlighting the fact that in several of these models the long time averaged mean squared displacement shows a distinct disparity to the regular, ensemble averaged mean squared displacement. In these cases, data obtained from time averages cannot be interpreted by the standard theoretical results for the ensemble averages. Here we therefore provide a comparison of the main properties of the time averaged mean squared displacement and its statistical behaviour in terms of the scatter of the amplitudes between the time averages obtained from different trajectories. We especially demonstrate how anomalous dynamics may be identified for systems, which, on first sight, appear to be Brownian. Moreover, we discuss the ergodicity breaking parameters for the different anomalous stochastic processes and showcase the physical origins for the various behaviours. This Perspective is intended as a guidebook for both experimentalists and theorists working on systems, which exhibit anomalous diffusion.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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