AMOLF-wetenschappers laten zien hoe signaalversterking door ruis werkt in systemen met geheugen

Signalen kunnen versterkt worden door een optimale hoeveelheid ruis, maar dit fenomeen van zogenoemde stochastische resonantie is tamelijk fragiel. Onderzoekers van AMOLF hebben voor het eerst de rol van geheugen bij dit fenomeen onderzocht in een met olie gevulde optische trilholte. De effecten van non-lineariteit met vertraging – ofwel geheugen – op stochastische resonantie werden tot nu toe buiten beschouwing gelaten, maar deze experimenten doen vermoeden dat stochastische resonantie bestand is tegen frequentievariaties in signalen als systemen geheugen hebben. Dit heeft implicaties voor allerlei onderzoek binnen de natuurkunde en energietechnologie. Ter illustratie rekenden de wetenschappers aan mechanische oscillatoren en ontdekten dat het introduceren van een vertraagde non-lineariteit ervoor kan zorgen dat deze tot tien keer efficiënter worden in het oogsten van energie uit ruis. Zij publiceren hun bevindingen in Physical Review Letters op 27 mei.

Het is niet eenvoudig om een moeilijke taak uit te voeren als twee mensen naast je een luide discussie voeren. Toch is totale stilte niet altijd het beste alternatief. Of het nou gaat om zachte muziek, verkeersrumoer of het geroezemoes van groepjes pratende mensen, voor veel mensen helpen achtergrondgeluiden om zich beter te concentreren. “Dat is het menselijke equivalent van stochastische resonantie”, vertelt AMOLF-groepsleider Said Rodriguez. “In het lab treedt stochastische resonantie op in non-lineaire systemen die bi-stabiel zijn. Dat betekent dat bij een gegeven input, de output wisselt tussen twee mogelijke waarden. Als de input een periodiek signaal is, zorgt stochastische resonantie ervoor dat de respons van een non-lineair systeem versterkt wordt door een optimale hoeveelheid ruis.”

IJstijden
In de jaren tachtig werd stochastische resonantie voorgesteld als verklaring voor het periodiek terugkeren van ijstijden op aarde. Sindsdien is het in vele natuurlijke en technologische systemen gezien, maar dat stelt wetenschappers eigenlijk voor een raadsel. Rodriguez: “De theorie zegt dat stochastische resonantie alleen mogelijk is bij een voor dat systeem specifieke signaalfrequentie. Veel systemen die ruis in hun voordeel gebruiken, leven echter in een omgeving waar signaalfrequenties fluctueren. Zo vangen sommige vissen plankton door een signaal op te vangen dat het plankton uitzendt. Daarbij zorgt een optimale hoeveelheid omgevingsruis dat de vissen het planktonsignaal beter detecteren, vanwege de stochastische resonantie. Omdat het planktonsignaal echter nooit constant is in een complexe omgeving als de zee, is het de vraag hoe er toch stochastische resonantie kan optreden.”

Geheugeneffecten
Rodriguez en zijn promovendus Kevin Peters, de eerste auteur, lieten in hun artikel voor het eerst zien dat geheugeneffecten van belang zijn om het raadsel op te lossen. “In de theorie van stochastische resonantie wordt aangenomen dat non-lineaire systemen direct reageren op een inputsignaal. In werkelijkheid echter, reageren de meeste systemen op hun omgeving met een zekere vertraging en is de respons afhankelijk van alles wat daarvoor gebeurde”, zegt hij. Zulke geheugeneffecten zijn ingewikkeld om te modeleren of te beheersen in experimenten, maar beide is de Interacting Photons groep van AMOLF nu gelukt. Rodriguez: “We hebben een gecontroleerde hoeveelheid ruis aan een laserbundel toegevoegd en schijnen die op een kleine trilholte gevuld met olie, wat een non-lineair systeem is. Door het laserlicht stijgt de olietemperatuur en veranderen de optische eigenschappen van de trilholte. Dat gebeurt niet meteen, maar kost zo’n tien microseconden. Daarom is het systeem tevens niet-instantaan (het heeft geheugen). Met onze experimenten hebben we voor het eerst laten zien dat stochastische resonantie kan plaatsvinden in een breed gebied aan signaalfrequenties als er geheugeneffecten in het systeem zitten.”

Energie oogsten
Nu ze hebben laten zien dat de wijde verspreiding van stochastische resonantie vermoedelijk te verklaren is door nog onopgemerkte effecten van geheugen, hopen de onderzoekers dat hun resultaten een bron van inspiratie zullen zijn voor collega’s uit andere wetenschapsgebieden om ook naar geheugeneffecten te zoeken. Om de impact van hun bevindingen te illustreren, hebben Rodriguez en zijn team theoretisch het effect onderzocht van een vertraagde respons op mechanische energiesystemen. “Kleine piëzo-elektrische apparaten die energie halen uit trillingen zijn relevant voor situaties waarin een batterij niet zomaar vervangen kan worden, zoals in pacemakers of andere biomedische apparatuur”, legt hij uit. “We berekenden dat zulke systemen tien keer zoveel energie kunnen halen uit omgevingstrillingen als ze met geheugeneffecten zijn uitgerust.”

De logische volgende stap is om het experiment uit te breiden met meerdere, aan elkaar verbonden, trilholtes met olie, en te onderzoeken wat hun gezamenlijke reactie is op ruis. Rodriguez is ook niet bang om uit zijn wetenschappelijke comfortzone te stappen. Hij zegt: “Het zou geweldig zijn als we kunnen samenwerken met onderzoekers die werken met mechanische oscillatoren. Als we onze geheugeneffecten in zulke systemen zouden kunnen implementeren, is de impact op energietechnologie enorm.”

Referentie
K.J.H. Peters, Z. Geng, K. Malmir, J.M. Smith en S.R.K. Rodriguez, Extremely Broadband Stochastic Resonance of Light and Enhanced Energy Harvesting 3 Enabled by Memory Effects in the Nonlinear Response, Physical Review Letters, 126, 213901 (2021).