Ett team av japanska forskare har upptäckt en ny mekanism för att förklara stokastisk resonans, där känsligheten för svaga signaler förstärks av brus. Fyndet förväntas hjälpa elektroniska enheter att bli mindre och mer energieffektiva.

Buller är generellt en olägenhet som dränker ut små signaler. Till exempel, det kan hindra dig från att fånga vad din partner säger under ett samtal. Dock, det är känt att levande organismer har lättare att upptäcka rovdjur i bullriga miljöer eftersom buller ökar känsligheten hos sensoriska organ. Detta fenomen, kallas stokastisk resonans, anses vara till stor nytta för tekniska enheter och för att hantera bullerproblem på olika andra områden. Dock, det har inte funnits övertygande förklaringar till varför buller ökar känsligheten för svaga signaler sedan den första rapporten om fenomenet 1981.

Ett stötesten som hindrar forskare från att helt förstå fenomenet är komplexiteten i olinjära teorier som involverar friktion och fluktuationer, båda anses vara avgörande för fenomenet.

För att lösa detta problem, laget, bestående av professor Hokkaido University Seiya Kasai, Docent Akihisa Ichiki vid Nagoya University, och seniorforskare Yukihiro Tadokoro från Toyota Central R&D Labs., Inc., etablerade en enkel modell som utesluter friktionskraft, en parameter som de anser vara försumbara i nano- och molekylskala system.

Forskarna fann korrelationer mellan känslighet och brus i ett bistabilt system, ett olinjärt system som har två stabila tillstånd och möjliggör övergång mellan dem beroende på ingångsvärden, som en vipp. De räknade också ut rollen som vitt gaussiskt brus, det mest vanliga brus som finns i naturen.

När en övergång sker utan friktion, det bistabila systemets känslighet för en Gauss-bruspåförd svag signal blir betydligt hög. Vidare, forskarna fann att den relativa skillnaden - som bestämmer känsligheten - för den gaussiska fördelningsfunktionen skiljer sig åt i svanskanten. Detta innebär att känsligheten blir onormalt hög genom att öka tröskeln för det bistabila systemet. Denna teori har experimentellt verifierats av en elektronisk tvåstatlig enhet som kallas Schmitt-utlösaren.

Fyndet förväntas bana väg för att använda buller snarare än att eliminera det, som kommer att bidra till att etablera ny teknik. Det kan hjälpa elektroniska enheter att bli mindre och mer energieffektiva. "Eftersom Gaussiskt buller vanligtvis förekommer, vår studie ska hjälpa oss att bättre förstå olika olinjära och fluktuerande fenomen i naturvärlden och samhället. "säger Kasai.