Een team van Japanse onderzoekers heeft een nieuw mechanisme ontdekt om stochastische resonantie te verklaren, waarbij de gevoeligheid voor zwakke signalen wordt versterkt door ruis. De bevinding zal naar verwachting helpen om elektronische apparaten kleiner en energiezuiniger te maken.

Ruis is over het algemeen hinderlijk en overstemt kleine signalen. Bijvoorbeeld, het kan voorkomen dat u tijdens een gesprek begrijpt wat uw partner zegt. Echter, het is bekend dat levende organismen het gemakkelijker vinden om roofdieren te detecteren in lawaaierige omgevingen, omdat lawaai de gevoeligheid van de zintuigen verhoogt. Dit fenomeen, stochastische resonantie genoemd, wordt beschouwd als van groot nut voor technische apparaten en het aanpakken van geluidsproblemen op verschillende andere gebieden. Echter, er zijn geen overtuigende verklaringen waarom ruis de gevoeligheid voor zwakke signalen verbetert sinds de eerste melding van het fenomeen in 1981.

Een struikelblok dat onderzoekers ervan weerhoudt het fenomeen volledig te begrijpen, is de complexiteit in niet-lineaire theorieën met wrijving en fluctuatie, beide beschouwd als essentieel voor het fenomeen.

Om dit probleem aan te pakken, het team, bestaande uit Hokkaido University Professor Seiya Kasai, Universitair hoofddocent Akihisa Ichiki van de Universiteit van Nagoya, en senior onderzoeker Yukihiro Tadokoro van Toyota Central R&D Labs., Inc., stelde een eenvoudig model vast dat wrijvingskracht uitsloot, een parameter die zij als verwaarloosbaar beschouwen in systemen op nano- en moleculaire schaal.

De onderzoekers vonden correlaties tussen gevoeligheid en ruis in een bistabiel systeem, een niet-lineair systeem dat twee stabiele toestanden heeft en de overgang daartussen mogelijk maakt, afhankelijk van invoerwaarden, als een wip. Ze ontdekten ook de rol van witte Gaussiaanse ruis, het meest standaardgeluid dat veel wordt aangetroffen in de natuurlijke wereld.

Wanneer een overgang plaatsvindt zonder wrijving, de gevoeligheid van het bistabiele systeem voor een zwak signaal met Gauss-ruis wordt aanzienlijk hoog. Verder, de onderzoekers ontdekten dat het relatieve verschil - dat de gevoeligheid bepaalt - van de Gauss-verdelingsfunctie divergeert in de staartrand. Dit betekent dat de gevoeligheid abnormaal hoog wordt door de drempel van het bistabiele systeem te verhogen. Deze theorie is experimenteel geverifieerd door een elektronisch tweetoestandsapparaat genaamd de Schmitt-trigger.

De bevinding zal naar verwachting de weg vrijmaken voor het gebruik van ruis in plaats van het te elimineren, die zullen bijdragen aan de totstandkoming van nieuwe technologieën. Het zou elektronische apparaten kunnen helpen kleiner en energiezuiniger te worden. "Omdat Gaussische ruis vaak wordt aangetroffen, onze studie zou ons moeten helpen om verschillende niet-lineaire en fluctuerende verschijnselen in de natuurlijke wereld en de samenleving beter te begrijpen", zegt Kasai.