Svelata l’amplificazione del segnale nei sistemi con memoria

I segnali possono essere amplificati da una quantità giusta di rumore, ma la risonanza stocastica è un fenomeno alquanto fragile. Quest’ultima è un fenomeno in cui un segnale che normalmente è troppo debole per essere rilevato da un sensore, può essere amplificato aggiungendo rumore bianco al segnale, che contiene un ampio spettro di frequenze.

Le frequenze nel rumore bianco corrispondenti alle frequenze del segnale originale risuoneranno tra loro, amplificando il segnale originale senza amplificare il resto del rumore bianco, aumentando così il rapporto segnale-rumore. I ricercatori dell’AMOLF sono stati i primi a studiare il ruolo della memoria in una microcavità ottica piena di olio, per questo fenomeno.

Rilevata l’amplificazione del segnale nei sistemi con memoria

Gli effetti della memoria sulla risonanza non erano mai stati considerati prima, ma questa ricerca suggerisce che la risonanza stocastica diventa più forte alle variazioni della frequenza del segnale quando i sistemi hanno memoria. Ciò prevede implicazioni sia nella fisica che nella tecnologia energetica. In particolare, gli scienziati mostrano numericamente che l’introduzione di una non linearità lenta in un oscillatore meccanico che raccoglie energia dal rumore può aumentare di dieci volte la sua efficienza.

Solitamente che si tratti di musica soft, rumore del traffico remoto o il ronzio di persone che chiacchierano in lontananza, per molte persone una quantità ottimale di rumore consente loro di concentrarsi meglio. Questo è l’equivalente umano della risonanza stocastica. Nei laboratori scientifici, la risonanza stocastica si verifica in sistemi non lineari che sono bistabili. Ciò significa che l’uscita può commutare tra due possibili valori.

Quando l’ingresso è un segnale periodico, la risposta di un sistema non lineare può essere amplificato da una quantità ottimale di rumore utilizzando la condizione di risonanza stocastica. In passato negli anni 80 la risonanza era proposta come spiegazione della ricorrenza di ere glaciali, venendo da allora osservata in molti sistemi naturali e tecnologici.

La teoria suggerisce che la risonanza stocastica può verificarsi solo a una frequenza del segnale molto specifica. Tuttavia, molti sistemi che abbracciano il rumore esistono in ambienti in cui le frequenze del segnale fluttuano. È stato dimostrato che alcuni pesci predano il plancton rilevando un segnale che emettono e che una quantità ottimale di rumore aumenta la capacità del pesce di rilevare quel segnale attraverso il fenomeno della risonanza stocastica.

Un’ampia gamma di segnali su effetti di memoria

La teoria della risonanza stocastica presuppone che i sistemi non lineari rispondano istantaneamente a un segnale in ingresso. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi risponde al loro ambiente con un certo ritardo e la loro risposta dipende da tutto ciò che è accaduto prima. Tali effetti di memoria sono difficili da descrivere teoricamente e da controllare sperimentalmente, ma il team di AMOLF ha gestito entrambi. Hanno aggiunto una quantità controllata di rumore a un raggio di luce laser e lo hanno proiettato su una minuscola cavità piena di olio, che è un sistema non lineare.

La luce fa aumentare la temperatura dell’olio e le sue proprietà ottiche cambiano, ma non immediatamente. Ci vogliono circa 10 microsecondi; quindi il sistema non è istantaneo. Negli esperimenti, hanno dimostrato per la prima volta che la risonanza stocastica può verificarsi su un’ampia gamma di segnali frequenze quando sono presenti effetti di memoria.

I ricercatori sperano che i loro risultati ispirino i colleghi di molti altri campi della scienza a cercare gli effetti della memoria nei propri sistemi. Per estendere l’impatto delle scoperte, il team ha teoricamente studiato gli effetti della risposta non istantanea sui sistemi meccanici per la raccolta di energia. Hanno riscontrato un aumento di dieci volte nella quantità di energia che potrebbe essere raccolta dalle vibrazioni ambientali, se fossero stati incorporati gli effetti della memoria.

Ora il passo successivo per i ricercatori è di espandere il loro sistema con altre diverse cavità e capire il comportamento che emerge dal rumore. Se fosse possibile implementare gli effetti sulla memoria in quei sistemi, l’impatto sulla tecnologia energetica sarà qualcosa di unico.

Foto di AMOLF via Phys.org