Forskere opklarer støjassisteret signalforstærkning i systemer med hukommelse

Signaler kan forstærkes med en optimal mængde støj, men stokastisk resonans er et skrøbeligt fænomen. Forskere ved AMOLF var de første til at undersøge hukommelsens rolle for dette fænomen i et oliefyldt optisk mikrohulrum. Virkningerne af langsom ikke-linearitet (dvs. hukommelse) på stokastisk resonans blev aldrig overvejet før, men disse forsøg tyder på, at stokastisk resonans bliver robust over for variationer i signalfrekvensen, når systemer har hukommelse. Dette har konsekvenser på mange områder inden for fysik og energiteknologi. I særdeleshed, forskerne viser numerisk, at indførelse af langsom ikke -linearitet i en mekanisk oscillator, der høster energi fra støj, kan øge dens effektivitet ti gange. De har offentliggjort deres resultater i Fysisk gennemgangsbreve den 27. maj.

Det er ikke let at koncentrere sig om en vanskelig opgave, når to mennesker har en høj diskussion lige ved siden af ​​dig. Imidlertid, fuldstændig stilhed er ofte ikke det bedste alternativ. Uanset om det er noget blød musik, fjern trafikstøj eller summen af ​​mennesker, der chatter i det fjerne, for mange mennesker, en optimal mængde støj gør dem i stand til at koncentrere sig bedre. "Dette er den menneskelige ækvivalent af stokastisk resonans, "siger AMOLF -gruppeleder Said Rodriguez." I vores videnskabelige laboratorier, stokastisk resonans sker i ikke -lineære systemer, der er bistabile. Det betyder at, for et givet input, output kan skifte mellem to mulige værdier. Når input er et periodisk signal, svaret fra et ikke-lineært system kan forstærkes af en optimal mængde støj ved hjælp af den stokastiske resonansbetingelse. "

Istider

I 1980'erne, stokastisk resonans blev foreslået som forklaring på tilbagefald af istider. Siden da, det er blevet observeret i mange naturlige og teknologiske systemer, men denne udbredte observation udgør et puslespil for forskere, Siger Rodriguez. "Teori antyder, at stokastisk resonans kun kan forekomme ved en meget specifik signalfrekvens. Men mange støjfavnende systemer findes i miljøer, hvor signalfrekvenser svinger. For eksempel, det har vist sig, at visse fisk byder på plankton ved at detektere et signal, de udsender, og at en optimal mængde støj forbedrer fiskens evne til at detektere dette signal gennem fænomenet stokastisk resonans. Men hvordan kan denne effekt overleve udsving i signalfrekvensen, der forekommer i så komplekse miljøer? "

Hukommelseseffekter

Rodriguez og hans ph.d. studerende Kevin Peters, den første forfatter til papiret, var de første til at demonstrere, at hukommelseseffekter skal tages i betragtning for at løse dette puslespil. "Teorien om stokastisk resonans forudsætter, at ikke -lineære systemer reagerer øjeblikkeligt på et indgangssignal. i virkeligheden, de fleste systemer reagerer på deres omgivelser med en vis forsinkelse, og deres svar afhænger af alt, hvad der skete før, "siger han. Sådanne hukommelseseffekter er svære at beskrive teoretisk og at kontrollere eksperimentelt, men gruppen Interacting Photons hos AMOLF har nu administreret begge dele.

Rodriguez siger, "Vi har tilføjet en kontrolleret mængde støj til en laserstråle og har skinnet det på et lille hulrum fyldt med olie, som er et ikke-lineært system. Lyset får temperaturen på olien til at stige, og dets optiske egenskaber skal ændres, men ikke umiddelbart. Det tager omkring 10 mikrosekunder; dermed, systemet er ikke-øjeblikkeligt, såvel. I vores eksperimenter, Vi har for første gang vist, at stokastisk resonans kan forekomme over en lang række signalfrekvenser, når hukommelseseffekter er til stede. "

Energihøst

Efter således at have vist, at den udbredte forekomst af stokastisk resonans kan skyldes endnu ubemærket hukommelsesdynamik, forskerne håber, at deres resultater vil inspirere kolleger inden for flere andre videnskabelige områder til at søge efter hukommelseseffekter i deres egne systemer. For at udvide virkningen af ​​deres fund, Rodriguez og hans team har teoretisk undersøgt virkningerne af ikke-øjeblikkelig reaktion på mekaniske systemer til energihøstning. "Små piezo-elektriske enheder, der høster energi fra vibrationer, er nyttige, når det er svært at udskifte batterier, for eksempel i pacemakere eller andre biomedicinske anordninger, "forklarer han." Vi har fundet en tidobling i mængden af ​​energi, der kan høstes af miljøvibrationer, hvis hukommelseseffekter ville være blevet indarbejdet. "

Det oplagte næste trin for gruppen er at udvide deres system med flere tilsluttede oliefyldte hulrum og undersøge kollektiv adfærd, der opstår fra støj. Rodriguez frygter ikke at træde uden for sin videnskabelige komfortzone. Han siger:"Det ville være fantastisk, hvis vi kunne samarbejde med forskere, der har ekspertise inden for mekaniske oscillatorer. Hvis vi kan implementere vores hukommelseseffekter i disse systemer, indvirkningen på energiteknologi vil være enorm. "