科學家揭開了有記憶系統中噪聲輔助信號放大的面紗

信號可以被最佳數量的噪聲放大,但這種所謂的隨機共振是一種相當脆弱的現象。AMOLF的研究人員首次在一個充滿油的光學微腔中研究記憶對這種現象的作用。以前的研究從未考慮過慢速非線性(即記憶)對隨機共振的影響,但這些實驗表明,當系統有記憶時,隨機共振對信號頻率的變化變得穩健。這在物理學和能源技術的許多領域都有影響。

科學家們用數字錶明,在一個從噪聲中獲取能量的機械振蕩器中引入緩慢的非線性可以使其效率提高10倍。他們於5月27日在《物理評論快報》上發表了他們的發現。當兩個人在你旁邊大聲討論時,要集中精力完成一項困難的任務並不容易。然而,完全沉默往往不是最好的選擇。無論是一些輕柔的音樂、遙遠的交通噪音還是遠處人們聊天的嗡嗡聲,對許多人來說,一個最佳的噪音量能使他們更好地集中注意力。

AMOLF小組負責人賽義德-羅德里格斯表示:”在我們的科學實驗室中,隨機共振發生在非線性系統中,是雙穩態的。這意味着,對於一個給定的輸入,輸出可以在兩個可能的值之間切換。當輸入是一個周期性的信號時,非線性系統的反應可以通過使用隨機共振條件的最佳噪聲量來放大。在20世紀80年代,隨機共振被提出來作為對冰期復現的一種解釋。從那時起,它在許多自然和技術系統中被觀察到,但這種廣泛的觀察給科學家帶來了一個難題。賽義德-羅德里格斯表示:”理論表明,隨機共振只能在一個非常具體的信號頻率下發生。然而,許多吸納噪音的系統存在於信號頻率波動的環境中。例如,已經證明某些魚類通過檢測它們發出的信號來捕食浮游生物,而最佳的噪音量會通過隨機共振現象增強魚類檢測該信號的能力。但是,這種效應如何能在如此複雜的信號頻率波動中生存下來?”

羅德里格斯和他的博士生凱文-彼得斯率先證明必須考慮到記憶效應來解決這個難題。隨機共振的理論假定非線性系統對輸入信號的反應是瞬間的。然而,在現實中,大多數系統對其環境的反應有一定的延遲,其反應取決於之前發生的所有事情.這種記憶效應很難從理論上描述,也很難從實驗上控制,但AMOLF的互動光子小組現在已經做到了這兩點。他們在一束激光中加入了可控的噪音,並將其照射在一個充滿油的小空腔中,這是一個非線性系統。這束光導致油的溫度上升,其光學特性發生變化,但不是立即發生。它需要大約十微秒的時間,因此該系統也是非瞬時的。他們首次發現,當記憶效應存在時,隨機共振可以在廣泛的信號頻率範圍內發生。

在證明了隨機共振廣泛發生可能是由於尚未被注意到的記憶動力學之後,研究人員希望他們的結果將激勵其他幾個科學領域的同事在他們自己的系統中尋找記憶效應。為了擴大他們研究結果的影響,羅德里格斯和他的團隊從理論上研究了非瞬時響應對能量採集機械系統的影響。從振動中獲取能量的小型壓電設備在電池更換困難時很有用,例如在起搏器或其他生物醫學設備中的壓電設備。如果將記憶效應納入其中,那麼它們從環境振動中獲取的能量將增加十倍。

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