Signalen kunnen worden versterkt door een optimale hoeveelheid ruis, maar stochastische resonantie is een kwetsbaar fenomeen. Onderzoekers van AMOLF waren de eersten die de rol van het geheugen voor dit fenomeen in een met olie gevulde optische microholte onderzochten. De effecten van langzame niet-lineariteit (d.w.z. geheugen) op stochastische resonantie werden nooit eerder overwogen, maar deze experimenten suggereren dat stochastische resonantie robuust wordt voor variaties in de signaalfrequentie wanneer systemen geheugen hebben. Dit heeft implicaties op vele gebieden van de natuurkunde en energietechnologie. Vooral, de wetenschappers laten numeriek zien dat het introduceren van langzame niet-lineariteit in een mechanische oscillator die energie uit ruis haalt, de efficiëntie ervan kan vertienvoudigen. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 27 mei.

Het is niet gemakkelijk om je op een moeilijke taak te concentreren als twee mensen naast je een luide discussie voeren. Echter, volledige stilte is vaak niet het beste alternatief. Of het nu zachte muziek is, afgelegen verkeerslawaai of het geroezemoes van mensen die in de verte chatten, voor veel mensen, een optimale hoeveelheid geluid stelt hen in staat zich beter te concentreren. "Dit is het menselijke equivalent van stochastische resonantie, ", zegt AMOLF-groepsleider Said Rodriguez. "In onze wetenschappelijke laboratoria, stochastische resonantie vindt plaats in niet-lineaire systemen die bistabiel zijn. Dit betekent dat, voor een bepaalde ingang, de uitgang kan schakelen tussen twee mogelijke waarden. Als de ingang een periodiek signaal is, de respons van een niet-lineair systeem kan worden versterkt door een optimale hoeveelheid ruis met behulp van de stochastische resonantieconditie."

Ijstijden

In 1980, stochastische resonantie werd voorgesteld als een verklaring voor het opnieuw optreden van ijstijden. Vanaf dat moment, het is waargenomen in veel natuurlijke en technologische systemen, maar deze wijdverbreide observatie stelt wetenschappers voor een raadsel, zegt Rodríguez. "Theorie suggereert dat stochastische resonantie alleen kan optreden bij een zeer specifieke signaalfrequentie. veel ruisomarmende systemen bestaan ​​in omgevingen waar signaalfrequenties fluctueren. Bijvoorbeeld, het is aangetoond dat bepaalde vissen op plankton jagen door een signaal te detecteren dat ze uitzenden, en dat een optimale hoeveelheid ruis het vermogen van de vis om dat signaal te detecteren verbetert door het fenomeen van stochastische resonantie. Maar hoe overleeft dit effect fluctuaties in de signaalfrequentie die optreden in dergelijke complexe omgevingen?"

Geheugeneffecten

Rodriguez en zijn Ph.D. leerling Kevin Peters, de eerste auteur van het artikel, waren de eersten die aantoonden dat bij het oplossen van deze puzzel rekening moet worden gehouden met geheugeneffecten. "De theorie van stochastische resonantie gaat ervan uit dat niet-lineaire systemen onmiddellijk reageren op een ingangssignaal. in werkelijkheid, de meeste systemen reageren met een bepaalde vertraging op hun omgeving en hun reactie hangt af van alles wat er eerder is gebeurd, "zegt hij. Dergelijke geheugeneffecten zijn moeilijk theoretisch te beschrijven en experimenteel te controleren, maar de Interacting Photons-groep bij AMOLF heeft nu beide beheerd.

Rodríguez zegt, "We hebben een gecontroleerde hoeveelheid ruis toegevoegd aan een straal laserlicht en hebben het laten schijnen op een kleine holte gevuld met olie, wat een niet-lineair systeem is. Het licht zorgt ervoor dat de temperatuur van de olie stijgt, en zijn optische eigenschappen veranderen, maar niet meteen. Het duurt ongeveer 10 microseconden; dus, het systeem is niet onmiddellijk, ook. In onze experimenten, we hebben voor het eerst aangetoond dat stochastische resonantie kan optreden over een breed scala aan signaalfrequenties wanneer geheugeneffecten aanwezig zijn."

Energie oogsten

Na aldus te hebben aangetoond dat het wijdverbreide voorkomen van stochastische resonantie te wijten kan zijn aan nog onopgemerkte geheugendynamiek, de onderzoekers hopen dat hun resultaten collega's in verschillende andere wetenschapsgebieden zullen inspireren om in hun eigen systeem naar geheugeneffecten te zoeken. Om de impact van hun bevindingen te vergroten, Rodriguez en zijn team hebben theoretisch de effecten onderzocht van niet-onmiddellijke respons op mechanische systemen voor het oogsten van energie. "Kleine piëzo-elektrische apparaten die energie uit trillingen halen, zijn handig wanneer het vervangen van de batterij moeilijk is, bijvoorbeeld in pacemakers of andere biomedische apparaten, " legt hij uit. "We hebben een tienvoudige toename gevonden in de hoeveelheid energie die kan worden geoogst uit omgevingstrillingen, als geheugeneffecten zouden zijn opgenomen."

De voor de hand liggende volgende stap voor de groep is om hun systeem uit te breiden met verschillende verbonden met olie gevulde holtes en om collectief gedrag dat voortkomt uit lawaai te onderzoeken. Rodriguez is niet bang om buiten zijn wetenschappelijke comfortzone te treden. Hij zegt:"Het zou geweldig zijn als we zouden kunnen samenwerken met onderzoekers die expertise hebben in mechanische oscillatoren. Als we onze geheugeneffecten in die systemen kunnen implementeren, de impact op de energietechnologie zal enorm zijn."