Fractional dynamics has experienced a firm upswing during the past few years, having been forged into a mature framework in the theory of stochastic processes. A large number of research papers developing fractional dynamics further, or applying it to various systems have appeared since our first review article on the fractional Fokker–Planck equation (Metzler R and Klafter J 2000a, Phys. Rep. 339 1–77). It therefore appears timely to put these new works in a cohesive perspective. In this review we cover both the theoretical modelling of sub- and superdiffusive processes, placing emphasis on superdiffusion, and the discussion of applications such as the correct formulation of boundary value problems to obtain the first passage time density function. We also discuss extensively the occurrence of anomalous dynamics in various fields ranging from nanoscale over biological to geophysical and environmental systems.

We generalize the continuous time random walk (CTRW) to include the effect of space dependent jump probabilities. When the mean waiting time diverges we derive a fractional Fokker-Planck equation (FFPE). This equation describes anomalous diffusion in an external force field and close to thermal equilibrium. We discuss the domain of validity of the fractional kinetic equation. For the force free case we compare between the CTRW solution and that of the FFPE.

We introduce a fractional Fokker-Planck equation describing the stochastic evolution of a particle under the combined influence of an external, nonlinear force and a thermal heat bath. For the force-free case, a subdiffusive behavior is recovered. The equation is shown to obey generalized Einstein relations, and its stationary solution is the Boltzmann distribution. The relaxation of single modes is shown to follow a Mittag-Leffler decay. We discuss the example of a particle in a harmonic potential.

Newtonian physics began with an attempt to make precise predictions about natural phenomena, predictions that could be accurately checked by observation and experiment. The goal was to understand nature as a deterministic, “clockwork” universe. The application of probability distributions to physics developed much more slowly. Early uses of probability arguments focused on distributions with well-defined means and variances. The prime example was the Gaussian law of errors, in which the mean traditionally represented the most probable value from a series of repeated measurements of a fixed quantity, and the variance was related to the uncertainty of those measurements.

We introduce a stochastic process called a L\'evy walk which is a random walk with a nonlocal memory coupled in space and in time in a scaling fashion. L\'evy walks result in enhanced diffusion, i.e., diffusion that grows as ${\mathrm{t}}^{\mathrm{\ensuremath{\alpha}}}$,\ensuremath{\alpha}>1. When applied to the description of a passive scalar diffusing in a fluctuating fluid flow the model generalizes Taylor's correlated-walk approach. It yields Richardson's ${\mathrm{t}}^{3}$ law for the turbulent diffusion of a passive scalar in a Kolmogorov -(5/3) homogeneous turbulent flow and also gives the deviations from the (5/3) exponent resulting from Mandelbrot's intermittency. The model can be extended to studies of chemical reactions in turbulent flow.

We present an appraisal of differential-equation models for anomalous diffusion, in which the time evolution of the mean-square displacement is 〈${r}^{2}$(t)〉\ensuremath{\sim}${t}^{\ensuremath{\gamma}}$ with \ensuremath{\gamma}\ensuremath{\ne}1. By comparison, continuous-time random walks lead via generalized master equations to an integro-differential picture. Using L\'evy walks and a kernel which couples time and space, we obtain a generalized picture for anomalous transport, which provides a unified framework both for dispersive (\ensuremath{\gamma}<1) and for enhanced diffusion (\ensuremath{\gamma}>1).

L\'evy walks are random walks in which the distribution of step length does not decay exponentially and the velocity of the moving particle is finite. Building on earlier concepts, they reconcile anomalously fast diffusion with a finite propagation speed and have applications that range from basic statistical mechanics and transport theory to optics, cold atom dynamics, and biophysics. This review gives an introduction to this important class of models and discusses applications in both physics and biology.