Signaler kan förstärkas med en optimal mängd brus, men stokastisk resonans är ett bräckligt fenomen. Forskare vid AMOLF var de första som undersökte minnesrollen för detta fenomen i en oljefylld optisk mikrokavitet. Effekterna av långsam icke-linjäritet (dvs. minne) på stokastisk resonans beaktades aldrig tidigare, men dessa experiment tyder på att stokastisk resonans blir robust mot variationer i signalfrekvensen när system har minne. Detta har konsekvenser inom många områden inom fysik och energiteknik. Särskilt, forskarna visar numeriskt att införandet av långsam olinearitet i en mekanisk oscillator som skördar energi från buller kan öka dess effektivitet tiofaldigt. De har publicerat sina fynd i Fysiska granskningsbrev den 27 maj.

Det är inte lätt att koncentrera sig på en svår uppgift när två personer har en hög diskussion bredvid dig. Dock, fullständig tystnad är ofta inte det bästa alternativet. Oavsett om det är lite mjuk musik, avlägset trafikbuller eller surr av människor som chattar i fjärran, För många personer, en optimal mängd buller gör att de kan koncentrera sig bättre. "Detta är den mänskliga motsvarigheten till stokastisk resonans, "säger AMOLF gruppledare Said Rodriguez." I våra vetenskapliga laboratorier, stokastisk resonans sker i olinjära system som är bistabila. Detta innebär att, för en given ingång, utgången kan växla mellan två möjliga värden. När ingången är en periodisk signal, svaret hos ett icke-linjärt system kan förstärkas med en optimal mängd brus med hjälp av det stokastiska resonansvillkoret. "

Istider

På 1980 -talet, stokastisk resonans föreslogs som en förklaring till återkomsten av istider. Sedan dess, det har observerats i många naturliga och tekniska system, men denna utbredda observation utgör ett pussel för forskare, Säger Rodriguez. "Teori tyder på att stokastisk resonans endast kan inträffa vid en mycket specifik signalfrekvens. Men många brusomfattande system finns i miljöer där signalfrekvenser fluktuerar. Till exempel, det har visat sig att vissa fiskar byter plankton genom att upptäcka en signal som de avger, och att en optimal mängd brus förbättrar fiskens förmåga att upptäcka den signalen genom fenomenet stokastisk resonans. Men hur kan denna effekt överleva fluktuationer i signalfrekvensen som uppstår i så komplexa miljöer? "

Minneeffekter

Rodriguez och hans doktorand studenten Kevin Peters, tidningens första författare, var de första som visade att minneseffekter måste beaktas för att lösa detta pussel. "Teorin om stokastisk resonans förutsätter att olinjära system reagerar omedelbart på en insignal. Men i verkligheten, de flesta system svarar på sin miljö med en viss fördröjning och deras svar beror på allt som hände tidigare, "säger han. Sådana minneeffekter är svåra att beskriva teoretiskt och att kontrollera experimentellt, men gruppen Interacting Photons på AMOLF har nu lyckats med båda.

Rodriguez säger, "Vi har lagt till en kontrollerad mängd brus till en laserstråle och har lyst det på en liten hålighet fylld med olja, vilket är ett olinjärt system. Ljuset får temperaturen på oljan att stiga, och dess optiska egenskaper att ändra, men inte direkt. Det tar cirka 10 mikrosekunder; Således, systemet är omedelbart, också. I våra experiment, Vi har för första gången visat att stokastisk resonans kan uppträda över ett brett spektrum av signalfrekvenser när minneeffekter finns. "

Energiskörd

Efter att ha visat att den utbredda förekomsten av stokastisk resonans kan bero på ännu obemärkt minnesdynamik, forskarna hoppas att deras resultat kommer att inspirera kollegor inom flera andra vetenskapsområden att söka efter minnseffekter i sina egna system. För att förlänga effekten av deras resultat, Rodriguez och hans team har teoretiskt undersökt effekterna av icke-momentan reaktion på mekaniska system för energiupptagning. "Små piezo-elektriska enheter som skördar energi från vibrationer är användbara när batteribyte är svårt, till exempel i pacemaker eller andra biomedicinska anordningar, "förklarar han." Vi har funnit en tiofaldig ökning av mängden energi som kan skördas från miljövibrationer, om minnseffekter skulle ha införlivats. "

Det uppenbara nästa steget för gruppen är att utöka sitt system med flera anslutna oljefyllda hålrum och undersöka kollektivt beteende som kommer från buller. Rodriguez är inte rädd för att gå utanför sin vetenskapliga komfortzon. Han säger:"Det vore fantastiskt om vi kunde samarbeta med forskare som har expertis inom mekaniska oscillatorer. Om vi ​​kan implementera våra minnseffekter i dessa system, påverkan på energiteknik kommer att bli enorm. "