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Tipo de Documento: Dissertação
Título: Dinâmica de Langmuir e exclusão de volume em cadeias lineares via formalismo do espaço de Fock
Autor(es): Silva, Luis Davi Santos
Data do documento: 21-Jul-2025
Orientador: Duarte Filho, Gerson Cortês
Resumo: O processo de difusão com exclusão simples totalmente assimétrica (TASEP) e a dinâmica de Langmuir (LK) são classicamente estudados via métodos estocásticos como aproximações de campo médio ou simulações de Monte Carlo. Neste trabalho, propomos uma abordagem alternativa baseada no mapeamento da equação mestra para uma equação tipo Schrödinger no espaço de Fock, utilizando operadores de segunda quantização. Este formalismo permite uma descrição exata da dinâmica estocástica em cadeias lineares finitas, capturando flutuações negligenciadas por métodos tradicionais. Investigamos regimes competitivos entre TASEP e LK que podem levar o sistema a um estado estacionário não trivial de densidade de ocupação da rede, com parâmetros controlados por taxas de entrada, saída, e difusão. Nossos resultados revelam formação de paredes de domínio, separando regiões de alta e baixa densidade, cuja localização difere de previsões de campo médio. Assinaturas estatísticas nas cumulantes (média, variância, assimetria, curtose) e momentos conjuntos (⟨ninj ⟩), destacando flutuações amplificadas em sítios centrais quando existe LK. Transições de fase em sistemas puramente TASEP, consistentes com resultados conhecidos. A implementação numérica, baseada na diagonalização do operador quasi-Hamiltoniano (2 k × 2 kpara k = 10 sítios), evidenciou desafios computacionais inerentes ao método. Este trabalho não apenas valida a aplicabilidade do espaço de Fock em problemas de difusão combinada, mas também abre caminho para estudos de sistemas com interações não-Markovianas ou geometrias bidimensionais. Além disso, nosso método oferece perspectivas para sistemas biológicos (por exemplo, transporte de ribossomos com ligação estocástica de tRNA) e materiais (adsorção de nanopartículas em nanotubos), onde efeitos de exclusão espacial e adsorção competitiva são críticos.
Abstract: The totally asymmetric simple exclusion process (TASEP) and Langmuir dynamics (LK) are classically studied via stochastic methods such as mean field approximations or Monte Carlo simulations. In this work, we propose an alternative approach based on mapping the master equation to a Schrödinger-type equation in Fock space, using second quantization operators. This formalism allows an exact description of stochastic dynamics in finite linear chains, capturing fluctuations neglected by traditional methods. We investigate competitive regimes between TASEP and LK that can lead the system to a non-trivial steady state of lattice occupation density, with parameters controlled by input, output, and diffusion rates. Our results reveal the formation of domain walls, separating regions of high and low density, whose location differs from mean field predictions. Statistical signatures in cumulants (mean, variance, skewness, kurtosis) and joint moments (⟨ni , nj ⟩), highlighting amplified fluctuations in central sites when LK exists. Phase transitions in purely TASEP systems, consistent with known results. The numerical implementation, based on the diagonalization of the quasi-Hamiltonian operator (2 k × 2 k for k = 10 sites),highlighted computational challenges inherent to the method. This work not only validates the applicability of Fock space in combined diffusion problems, but also paves the way for studies of systems with non-Markovian interactions or two-dimensional geometries. In addition, our method offers perspectives for biological systems (e.g., ribosome transport with stochastic binding of tRNA) and materials (adsorption of nanoparticles in nanotubes), where spatial exclusion effects and competitive adsorption are critical.
Palavras-chave: Cinética de Langmuir
Difusão totalmente assimétrica
Equação mestra
Espaço de Fock
Mecânica estocástica
Langmuir kinetics
Totally asymmetric diffusion
Master equation
Fock space
Stochastic mechanics
área CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Agência de fomento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Física
Citação: SILVA, Luis Davi Santos. Dinâmica de Langmuir e exclusão de volume em cadeias lineares via formalismo do espaço de Fock. 2025. 77 f. Dissertação (Mestrado em Física) — Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2025.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/23150
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