Amolf-wetenschappers ontrafelen signaalversterking met ruis in systemen met geheugen

Signalen kunnen worden versterkt door een optimale hoeveelheid ruis, maar deze zogenaamde stochastische resonantie is een nogal kwetsbaar fenomeen. Onderzoekers van Amolf hebben de rol van het geheugen voor dit fenomeen in een met olie gevulde optische microholte onderzocht. Introductie van langzame niet-lineariteit in een mechanische oscillator die energie uit ruis haalt, kan de efficiëntie ervan vertienvoudigen, zo concluderen ze.

Ze publiceren hun bevindingen in Physical Review Letters.

Het is niet gemakkelijk om je op een moeilijke taak te concentreren als twee mensen naast je een luide discussie voeren. Volledige stilte is echter vaak niet het beste alternatief. Of het nu gaat om zachte muziek, verkeerslawaai op afstand of het geroezemoes van mensen die in de verte aan het chatten zijn, voor veel mensen zorgt een optimale hoeveelheid geluid ervoor dat ze zich beter kunnen concentreren.

"Dit is het menselijke equivalent van stochastische resonantie", zegt groepsleider Said Rodriguez. "In onze wetenschappelijke laboratoria vindt stochastische resonantie plaats in niet-lineaire systemen die bistabiel zijn. Dit betekent dat voor een bepaalde ingang de uitgang kan schakelen tussen twee mogelijke waarden. Wanneer de invoer een periodiek signaal is, kan de respons van een niet-lineair systeem worden versterkt door een optimale hoeveelheid ruis met behulp van de stochastische resonantieconditie.

Ijstijden

In de jaren tachtig werd stochastische resonantie voorgesteld als een verklaring voor de herhaling van ijstijden. Sindsdien is het waargenomen in veel natuurlijke en technologische systemen, maar deze wijdverbreide waarneming stelt wetenschappers voor een raadsel. Rodriguez: "Theorie suggereert dat stochastische resonantie alleen kan optreden bij een heel specifieke signaalfrequentie. Veel systemen die ruis omarmen, leven echter in omgevingen waar de signaalfrequenties fluctueren. Er is bijvoorbeeld 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 vissen om dat signaal te detecteren verbetert door het fenomeen van stochastische resonantie. Maar hoe overleeft dit effect fluctuaties in de signaalfrequentie die in zulke complexe omgevingen optreden?"

Geheugeneffecten

Rodriguez en zijn promovendus 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 reageren de meeste systemen echter met een zekere vertraging op hun omgeving en hangt hun reactie 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 is nu in beide geslaagd. Rodriguez: "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 de optische eigenschappen veranderen, maar niet onmiddellijk. Het duurt ongeveer tien microseconden, dus het systeem is ook ‘non-instantaneous’. In onze experimenten hebben we voor het eerst aangetoond dat stochastische resonantie kan optreden over een breed scala aan signaalfrequenties wanneer geheugeneffecten aanwezig zijn."

Energie oogsten

Nu ze hebben aangetoond dat het wijdverbreide voorkomen van stochastische resonantie mogelijk te wijten is aan nog onopgemerkte geheugendynamiek, hopen de onderzoekers dat hun resultaten collega’s in verschillende andere wetenschapsgebieden zullen inspireren om naar geheugeneffecten in hun eigen systeem te zoeken. Om de impact van hun bevindingen uit te breiden, heeft het team 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 zou kunnen 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: "Het zou geweldig zijn als we zouden kunnen samenwerken met onderzoekers die expertise hebben op het gebied van mechanische oscillatoren. Als we onze geheugeneffecten in die systemen kunnen implementeren, zal de impact op de energietechnologie enorm zijn."