Top Banner
MATRIX ANSATZ FOR EXCLUSION PROCESSES Bernard DERRIDA Collège de France, Paris Matrix ansatz and exclusion processes Phase diagram of the TASEP Correlation functions and Brownian excursions Infinite line and shocks Additivity and large deviations function of the density 1993 2013 M. Evans, V. Hakim, V. Pasquier S. Janowsky, J.L. Lebowitz, E.R. Speer K. Mallick, D. Mukamel C. Enaud, M. Retaux Edinburgh 2015
31

Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

Jan 05, 2017

Download

Documents

buidan
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

MATRIX ANSATZ FOR EXCLUSION PROCESSES

Bernard DERRIDACollège de France, Paris

Matrix ansatz and exclusion processes

Phase diagram of the TASEP

Correlation functions and Brownian excursions

Infinite line and shocks

Additivity and large deviations function of the density

1993 → 2013M. Evans, V. Hakim, V. PasquierS. Janowsky, J.L. Lebowitz, E.R. SpeerK. Mallick, D. MukamelC. Enaud, M. Retaux

Edinburgh 2015

Page 2: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

Reviews

Richard A. Blythe and Martin R. Evans (2007)Nonequilibrium steady states of matrix-product form: a solver’s guideJournal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 40(46), R333

Alexandre Lazarescu (2015)The Physicist’s Companion to Current Fluctuations: One-Dimensional

Bulk-Driven Lattice Gasespreprint arXiv:1507.04179

Page 3: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

NON-EQUILIBRIUM STEADY STATES

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

T a

ReservoirReservoir

System T b

Equilibrium Ta = Tb = T

P(C) = Z−1e−E(C)kT

No phase transition in one dimension for short-range interactions

Non-equilibrium Ta 6= Tb

P(C) = ?

Page 4: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

EXCLUSION PROCESSES

SSEP (Symmetric simple exclusion process)

1 L

1 1 1 1

γ

αβ

δ

ρa =α

α+ γ, τi =

{1 occupied0 empty

, ρb =δ

β + δ

Page 5: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

SSEP

1 L

1 1 1 1

γ

αβ

δ

ρa =α

α+ γ, τi =

{1 occupied0 empty

, ρb =δ

β + δ

ASEP (Asymmetric simple exclusion process)

1 L

q 1 q 1

γ

αβ

δ

Page 6: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

SSEP

1 L

1 1 1 1

γ

αβ

δ

ρa =α

α+ γ, τi =

{1 occupied0 empty

, ρb =δ

β + δ

ASEP

1 L

q 1 q 1

γ

αβ

δ

TASEP (Totally ASEP)

1 L

1 1α

β

Page 7: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

STEADY STATE

1 L

1 1 1 1

γ

αβ

δ

ρa =α

α+ γ, τi =

{1 occupied0 empty

, ρb =δ

β + δ

Equilibrium ρa = ρb = ρ

P(τ1, ...τL) =L∏

i=1

[ ρ τi + (1− τi )(1− ρ) ]

Non-equilibrium ρa 6= ρb

P(τ1, ...τL) given by the matrix ansatz

Alternative expressions: D. Domany Mukamel 1992, Schutz Domany 1993, Liggett 99

Page 8: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

MATRIX ANSATZFadeev 1980, ...., D. Evans Hakim Pasquier 1993

SSEP

1 L

1 1 1 1

γ

αβ

δ

P(τ1, . . . , τL) =〈W |X1 . . .XL|V 〉〈W |(D + E )L|V 〉

where Xi =

{D if site i occupied

E if site i empty

〈W |(αE − γD) = 〈W |DE − ED = D + E

(βD − δE )|V 〉 = |V 〉

Page 9: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

PROOF (SSEP)

Gain =α〈W |ED3E 2|V 〉+ 〈W |D3EDE |V 〉+ β〈W |ED4E |V 〉

〈W |(D + E)6|V 〉

Loss =(γ + 1+ δ)〈W |D4E 2|V 〉〈W |(D + E)6|V 〉

Gain− Loss =〈W |(αE − γD)D3E 2 − D3(DE − ED)E + D4E(βD − δE)|V 〉

〈W |(D + E)6|V 〉

〈W |(αE − γD) = 〈W | DE − ED = D + E (βD − δE)|V 〉 = |V 〉

Page 10: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

PROOF (SSEP)

Gain =α〈W |ED3E 2|V 〉+ 〈W |D3EDE |V 〉+ β〈W |ED4E |V 〉

〈W |(D + E)6|V 〉

Loss =(γ + 1+ δ)〈W |D4E 2|V 〉〈W |(D + E)6|V 〉

Gain− Loss =〈W |(αE − γD)D3E 2 − D3(DE − ED)E + D4E(βD − δE)|V 〉

〈W |(D + E)6|V 〉

〈W |(αE − γD) = 〈W | DE − ED = D + E (βD − δE)|V 〉 = |V 〉

Page 11: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

PROOF (SSEP)

Gain =α〈W |ED3E 2|V 〉+ 〈W |D3EDE |V 〉+ β〈W |ED4E |V 〉

〈W |(D + E)6|V 〉

Loss =(γ + 1+ δ)〈W |D4E 2|V 〉〈W |(D + E)6|V 〉

Gain− Loss =〈W |(αE − γD)D3E 2 − D3(DE − ED)E + D4E(βD − δE)|V 〉

〈W |(D + E)6|V 〉

〈W |(αE − γD) = 〈W | DE − ED = D + E (βD − δE)|V 〉 = |V 〉

Page 12: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

PHASE DIAGRAM FOR THE TASEP

1 L

1 1α

β

P(τ1, . . . , τL) =〈W |X1 . . .XL|V 〉〈W |(D + E)L|V 〉

where Xi = D (site i occupied) and Xi = E (empty)

〈W |αE = 〈W |DE = D + E

βD|V 〉 = |V 〉

Current through bond i , i + 1

J =〈W |(D + E )i−1DE (D + E )L−i |V 〉

〈W |(D + E )L|V 〉=

〈W |(D + E )L−1|V 〉〈W |(D + E )L|V 〉

Page 13: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

〈W |αE = 〈W |DE = D + EβD|V 〉 = |V 〉

If F (E) is a polynomial, one has DF (E) = F (1)D + E F (E)−F (1)E−1

(D + E)N =N∑

p=1

p(2N − 1− p)!N!(N − p)!

(Ep + Ep−1D + . . .+ Dp)

and〈W |EmDn|V 〉〈W |V 〉 =

1αm

1βn

〈W |(D + E )N |V 〉〈W |V 〉

=N∑

p=1

p(2N − 1− p)!N!(N − p)!

1αp+1 −

1βp+1

1α− 1β

Page 14: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

PHASE DIAGRAM FOR THE TASEP

Krug 1991D. Domany Mukamel 1992

D. Evans Hakim Pasquier 1993Schutz Domany 1993

1 L

1 1α

β

α

β

.5

.5

ρ= .5

ρ= 1−β

ρ=α

Page 15: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

NON-GAUSSIAN DENSITY FLUCTUATIONS FOR THE ASEP

D. Enaud Lebowitz 2004

1 1α

β

1 LL x L x’

N(x , x ′) number of particles between Lx and Lx ′

N(x , x ′)L

− 12=

B(x ′)− B(x) + Y (x ′)− Y (x)2√

L

B is a Brownian path and Y is a Brownian excursion

x

Y(x)

B(x)

x

Page 16: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

TASEP: α = β = 1〈W |αE = 〈W |

DE = D + EβD|V 〉 = |V 〉

D =

1 1 0 0 · · ·0 1 1 0 · · ·0 0 1 1 · · ·

. . .. . .

E =

1 0 0 0 · · ·1 1 0 0 · · ·0 1 1 0 · · ·0 0 1 1 · · ·

. . .. . .

with 〈W | = (1, 0, 0 . . .) |V 〉 =

100...

〈W |(D + E )N |V 〉〈W |V 〉

=∑

Paths

Weight(Path)

Page 17: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

〈W | = (1, 0, 0 . . .) D =

1 1 0 0 · · ·0 1 1 0 · · ·0 0 1 1 · · ·

. . .. . .

E =

1 0 0 0 · · ·1 1 0 0 · · ·0 1 1 0 · · ·0 0 1 1 · · ·

. . .. . .

|V 〉 =

100...

〈W |(D + E )N |V 〉〈W |V 〉

=∑

Paths

Weight(Path)

Page 18: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

〈W | = (1, 0, 0 . . .) D =

1 1 0 0 · · ·0 1 1 0 · · ·0 0 1 1 · · ·

. . .. . .

E =

1 0 0 0 · · ·1 1 0 0 · · ·0 1 1 0 · · ·0 0 1 1 · · ·

. . .. . .

|V 〉 =

100...

〈W |(D + E )N |V 〉〈W |V 〉

=∑

Paths

Weight(Path)

Page 19: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

TASEP and Brownian excursions⟨(τLx1 −

12

). . .

(τLxk −

12

)⟩=

1(4L)k/2

dk 〈y1 . . . yk〉dx1 . . . dxk

where y(x) is a Brownian excursion and yi = y(xi )

small

P(y1 . . . yk) =

hx1(y1) gx2−x1(y1, y2) . . . gxk−xk−1(yk−1, yk) h1−xk (yk)√π

andhx(y) =

2yx3/2 e−y2/x

gx(y , y ′) =1√πx

(e−(y−y ′)2/x − e−(y+y ′)2/x

)

Page 20: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

SECOND CLASS PARTICLE

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

������������������

������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

������������������

������������������

First class

Second class

1

1

1

tr(X1X2 . . .XN)

First class = DSecond class = AEmpty = E

DE = D + E

DA = A

AE = A

Page 21: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

SECOND CLASS PARTICLE

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

������������������

������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

���������������

���������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

��������������������

��������������������

������������������

������������������

������������������

������������������

First class

Second class

1

1

1

tr(X1X2 . . .XN)

First class = DSecond class = AEmpty = E

DE = D + E

DA = A

AE = A

Page 22: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

Shocks

������������

������������

������������

������������

������������

������������

���������

���������

������������

������������

������������

������������

������������

������������

������������

������������

������������

������������

�������

�������

Shock

density

ρ

ρ

+

Weight= 〈w |X−k · · ·X−1 A X1 · · ·Xk′ |v〉

〈w |(D + E ) = 〈w | ; (D + E )|v〉 = |v〉AE = (1− ρ−)(1− ρ+)A ; DA = ρ−ρ+A

DE = (1− ρ−)(1− ρ+)D + ρ−ρ+)E

Page 23: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

PHASE TRANSITION

0.2 0.21

Page 24: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

LARGE DEVIATION FUNCTIONAL F [{ρ(x)}]

(x)ρ

ρb

ρ a

0 1x

ρ*(x)

Pro({ρ(x)}) ∼ exp[−LF({ρ(x)})]

For equilibrium systems, F({ρ(x)}) is the free energy

For the typical profile ρ∗(x), one has F({ρ∗(x)}) = 0

Page 25: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

LARGE DEVIATION FUNCTIONAL F [{ρ(x)]}(x)ρ

ρb

ρ a

0 1x

ρ*(x)

Pro({ρ(x)}) ∼ exp[−LF({ρ(x)})]

For equilibrium systems, F [{ρ(x)}] is the free energy

Procedure:

1. Cut the system into k boxes of length L/k

2. Pro(ρ1, ρ2, ...ρk) is the sum of the weights of all microscopicconfigurations with densities ρ1 in the first box, .... ρk in the kth box

3. For large L, Pro(ρ1, ρ2, ...ρk) ∼ exp[−LF(ρ1, ρ2, ...ρk)]

4. Take k →∞ with (k � L)

Page 26: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

LARGE DEVIATION FUNCTIONAL FOR THE SSEP

Pro({ρ(x)}) ∼ exp[−LF({ρ(x)})]

Equilibrium ρa = ρb = F

F({ρ(x)}) =∫ 1

0dx[(1− ρ(x)) log 1− ρ(x)

1− F+ ρ(x) log

ρ(x)F

]

Non-equilibrium (ρa 6= ρb)

D. Lebowitz Speer 2001-2002Bertini De Sole Gabrielli Jona-Lasinio Landim 2002

F({ρ(x)}) = supF (x)

∫ 1

0dx[(1− ρ(x)) log 1− ρ(x)

1− F (x)+ ρ(x) log

ρ(x)F (x)

+log F ′(x)ρb − ρa

]

with F (x) monotone, F (0) = ρa and F (1) =ρb

Page 27: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

Non-equilibrium (ρa 6= ρb)

F({ρ(x)}) = supF (x)

∫ 1

0dx[(1− ρ(x)) log 1− ρ(x)

1− F (x)+ ρ(x) log

ρ(x)F (x)

+ logF ′(x)ρb − ρa

]with F (x) monotone, F (0) = ρa and F (1) =ρb

Consequences:

F is non-local: for example for small ρa − ρb

F({ρ(x)}) =∫ 1

0dx (1− ρ(x)) log

1− ρ(x)1− ρ∗(x)

+ ρ(x) logρ(x)ρ∗(x)

+(ρa − ρb)

2

(ρa − ρ2a)

2

∫ 1

0dx∫ 1

xdy x(1− y)

(ρ(x)− ρ∗(x)

)(ρ(y)− ρ∗(y)

)+ O(ρa − ρb)

3

where ρ∗(x) = 〈ρ(x)〉 =(1− x)ρa + xρb

Long-range correlations Spohn 82

〈ρ(x)ρ(y)〉 − 〈ρ(x)〉〈ρ(y)〉 ' 1L

G(x , y) = − (ρa − ρb)2

Lx(1− y)

Page 28: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

ADDITIVITY FOR THE SSEP

( x ) ( x )( x )ρ1ρ c

0

ρa

1

ρ b

x x

ρ 2

0

ρa

1

ρ b

x

ρ

Pro({ρ(x)}) ∼ exp[−LF({ρ(x)})]

Try to find ρc such that

F({ρ(x)}|ρa, ρb) = x F({ρ1(x)}|ρa, ρc) + (1− x) F({ρ2(x)}|ρc , ρb)

Page 29: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

Idea

P(τ1, . . . , τL) =〈W |X1 . . .XL|V 〉〈W |(D + E)L|V 〉

Try to insert a complete basis

〈W |X1 . . .XL|V 〉 =∫

dU 〈W |X1 . . .XL′ |U〉K (U)〈U| XL′+1 . . .XL|V 〉

In practise

Define the eigenvectors 〈ρ, a| and |ρ, b〉

〈ρ, a| [ρE − (1− ρ)D] = a〈ρ, a|[(1− ρ)D − ρE ] |ρ, b〉 = b|ρ, b〉

Then 〈W | = 〈ρa, (α+ γ)−1| and |V 〉 = |ρb, (β + δ)−1〉

Then one can prove that:

〈ρa, a|Y1Y2|ρb, b〉〈ρa, a|ρb, b〉

=

∮ρb<|ρc |<ρa

dρc2iπ

(ρa − ρb)a+b

(ρa − ρc )a+b(ρc − ρb)

〈ρa, a|Y1|ρc , b〉〈ρa, a|ρc , b〉

〈ρc , 1− b|Y2|ρb, b〉〈ρc , 1− b|ρb, b〉

Page 30: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

LARGE DEVIATIONS OF THE DENSITY: EXTENSIONS

Large deviations of the density profileD. Lebowitz Speer 2002-2003 ASEPEnaud D. 2004 WASEP

Macroscopic fluctuation theoryBertini De Sole Gabrielli Jona-Lasinio Landim 2001 →· · · KMP model· · · tagged particle· · · current fluctuations· · · · · ·

Page 31: Matrix ansatz for exclusion processes - Bernard Derrida.pdf

CONCLUSION

Matrix ansatz for the steady state

Phase diagram

Correlation functions

Several species

Large deviation function

Finite size effects

Matrix ansatz for the current fluctuations

Talk by Kirone Mallick

Review by A. Lazarescu