Anomalous diffusion of self-propelled particles

均方位移 概率密度函数 反常扩散 物理 统计物理学 功能(生物学) 数学分析 数学 量子力学 计算机科学 知识管理 分子动力学 进化生物学 生物 统计 创新扩散
作者
Francisco J. Sevilla,Guillermo Chacón‐Acosta,Trifce Sandev
出处
期刊:Journal of Physics A [Institute of Physics]
卷期号:57 (33): 335004-335004 被引量:5
标识
DOI:10.1088/1751-8121/ad6720
摘要

Abstract The transport equation of active motion is generalised to consider time-fractional dynamics to describe the anomalous diffusion of self-propelled particles. In the present study, we consider an arbitrary active motion pattern modelled by a scattering function that defines the dynamics of the change of the self-propulsion direction. The exact probability density of the particle positions at a given time is obtained. From it, the time dependence of the firsts moments, i.e. the mean square displacement and the kurtosis for an arbitrary scattering function, are derived and analysed. Anomalous diffusion is found with a crossover of the scaling exponent from 2 α in the short-time regime to α in the long-time one, 0 < α < 1 being the order of the fractional derivative considered. It is shown that the exact solution found satisfies a fractional diffusion equation that accounts for the non-local and retarded effects of the Laplacian of the probability density function through a coupled temporal and spatial memory function. Such a memory function holds the complete information of the active-motion pattern. In the long-time regime, space and time are decoupled in the memory function, and the time fractional telegrapher’s equation is recovered. The theoretical framework presented here can be applied as model of active motion that exhibits anomalous diffusion.

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