科学家揭开了有记忆系统中噪声辅助信号放大的面纱

2021年06月12日 02:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

信号可以被最佳数量的噪声放大,但这种所谓的随机共振是一种相当脆弱的现象。AMOLF的研究人员首次在一个充满油的光学微腔中研究记忆对这种现象的作用。以前的研究从未考虑过慢速非线性(即记忆)对随机共振的影响,但这些实验表明,当系统有记忆时,随机共振对信号频率的变化变得稳健。这在物理学和能源技术的许多领域都有影响。

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科学家们用数字表明,在一个从噪声中获取能量的机械振荡器中引入缓慢的非线性可以使其效率提高10倍。他们于5月27日在《物理评论快报》上发表了他们的发现。当两个人在你旁边大声讨论时,要集中精力完成一项困难的任务并不容易。然而,完全沉默往往不是最好的选择。无论是一些轻柔的音乐、遥远的交通噪音还是远处人们聊天的嗡嗡声,对许多人来说,一个最佳的噪音量能使他们更好地集中注意力。

AMOLF小组负责人赛义德-罗德里格斯表示:”在我们的科学实验室中,随机共振发生在非线性系统中,是双稳态的。这意味着,对于一个给定的输入,输出可以在两个可能的值之间切换。当输入是一个周期性的信号时,非线性系统的反应可以通过使用随机共振条件的最佳噪声量来放大。在20世纪80年代,随机共振被提出来作为对冰期复现的一种解释。从那时起,它在许多自然和技术系统中被观察到,但这种广泛的观察给科学家带来了一个难题。赛义德-罗德里格斯表示:”理论表明,随机共振只能在一个非常具体的信号频率下发生。然而,许多吸纳噪音的系统存在于信号频率波动的环境中。例如,已经证明某些鱼类通过检测它们发出的信号来捕食浮游生物,而最佳的噪音量会通过随机共振现象增强鱼类检测该信号的能力。但是,这种效应如何能在如此复杂的信号频率波动中生存下来?"

罗德里格斯和他的博士生凯文-彼得斯率先证明必须考虑到记忆效应来解决这个难题。随机共振的理论假定非线性系统对输入信号的反应是瞬间的。然而,在现实中,大多数系统对其环境的反应有一定的延迟,其反应取决于之前发生的所有事情.这种记忆效应很难从理论上描述,也很难从实验上控制,但AMOLF的互动光子小组现在已经做到了这两点。他们在一束激光中加入了可控的噪音,并将其照射在一个充满油的小空腔中,这是一个非线性系统。这束光导致油的温度上升,其光学特性发生变化,但不是立即发生。它需要大约十微秒的时间,因此该系统也是非瞬时的。他们首次发现,当记忆效应存在时,随机共振可以在广泛的信号频率范围内发生。

在证明了随机共振广泛发生可能是由于尚未被注意到的记忆动力学之后,研究人员希望他们的结果将激励其他几个科学领域的同事在他们自己的系统中寻找记忆效应。为了扩大他们研究结果的影响,罗德里格斯和他的团队从理论上研究了非瞬时响应对能量采集机械系统的影响。从振动中获取能量的小型压电设备在电池更换困难时很有用,例如在起搏器或其他生物医学设备中的压电设备。如果将记忆效应纳入其中,那么它们从环境振动中获取的能量将增加十倍。

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