Due specchi con una goccia d'olio in mezzo formano una cavità ottica non lineare, in cui è stata osservata la risonanza stocastica. Modulando la posizione su uno degli specchi, la luce laser (che si avvicina da sinistra) viene trasformata in un segnale (a destra). Una quantità ottimale di rumore amplifica questo segnale quando sono soddisfatte le condizioni di risonanza stocastica. Attestazione:Henk-Jan Boluijt (AMOLF)
I segnali possono essere amplificati da una quantità ottimale di rumore, ma la risonanza stocastica è un fenomeno fragile. I ricercatori di AMOLF sono stati i primi a studiare il ruolo della memoria per questo fenomeno in una microcavità ottica piena d'olio. Gli effetti della non linearità lenta (cioè la memoria) sulla risonanza stocastica non sono mai stati considerati prima, ma questi esperimenti suggeriscono che la risonanza stocastica diventa robusta alle variazioni della frequenza del segnale quando i sistemi hanno memoria. Ciò ha implicazioni in molti campi della fisica e della 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. Hanno pubblicato i loro risultati in Lettere di revisione fisica il 27 maggio.
Non è facile concentrarsi su un compito difficile quando due persone stanno discutendo ad alta voce proprio accanto a te. Però, il silenzio completo spesso non è la migliore alternativa. 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, ", afferma Said Rodriguez, leader del gruppo AMOLF. "Nei nostri laboratori scientifici, la risonanza stocastica si verifica nei sistemi non lineari bistabili. Ciò significa che, per un dato ingresso, l'uscita può commutare tra due possibili valori. Quando l'ingresso è un segnale periodico, la risposta di un sistema non lineare può essere amplificata da una quantità ottimale di rumore utilizzando la condizione di risonanza stocastica."
Ere glaciali
Negli anni '80, la risonanza stocastica è stata proposta come spiegazione per la ricorrenza delle ere glaciali. Da allora, è stato osservato in molti sistemi naturali e tecnologici, ma questa diffusa osservazione pone un enigma agli scienziati, dice Rodriguez. "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. Per esempio, è stato dimostrato che alcuni pesci predano il plancton rilevando un segnale che emettono, e che una quantità ottimale di rumore accresce la capacità del pesce di rilevare quel segnale attraverso il fenomeno della risonanza stocastica. Ma come può questo effetto sopravvivere alle fluttuazioni della frequenza del segnale che si verificano in ambienti così complessi?"
Effetti di memoria
Rodriguez e il suo dottorato di ricerca. studente Kevin Peters, il primo autore del saggio, sono stati i primi a dimostrare che gli effetti della memoria devono essere presi in considerazione per risolvere questo enigma. "La teoria della risonanza stocastica presuppone che i sistemi non lineari rispondano istantaneamente a un segnale di ingresso. Tuttavia, in realtà, la maggior parte dei sistemi risponde al proprio ambiente con un certo ritardo e la loro risposta dipende da tutto ciò che è accaduto prima, " dice. Tali effetti di memoria sono difficili da descrivere teoricamente e da controllare sperimentalmente, ma il gruppo Interacting Photons di AMOLF ora ha gestito entrambi.
Rodriguez dice, "Abbiamo aggiunto una quantità controllata di rumore a un raggio di luce laser e l'abbiamo puntato 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 a cambiare, ma non subito. Ci vogliono circa 10 microsecondi; così, il sistema non è istantaneo, anche. Nei nostri esperimenti, abbiamo dimostrato per la prima volta che la risonanza stocastica può verificarsi su un'ampia gamma di frequenze del segnale quando sono presenti effetti di memoria".
Raccolta di energia
Avendo così dimostrato che la diffusa presenza di risonanza stocastica può essere dovuta a dinamiche di memoria ancora inosservate, 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 loro scoperte, Rodriguez e il suo team hanno teoricamente studiato gli effetti della risposta non istantanea sui sistemi meccanici per la raccolta di energia. "I piccoli dispositivi piezoelettrici che raccolgono energia dalle vibrazioni sono utili quando la sostituzione della batteria è difficile, per esempio in pacemaker o altri dispositivi biomedici, " spiega. "Abbiamo riscontrato un aumento di dieci volte della quantità di energia che potrebbe essere raccolta dalle vibrazioni ambientali, se gli effetti di memoria fossero stati incorporati."
L'ovvio passo successivo per il gruppo è espandere il proprio sistema con diverse cavità piene d'olio collegate e studiare il comportamento collettivo che emerge dal rumore. Rodriguez non ha paura di uscire dalla sua zona di comfort scientifica. Dice:"Sarebbe fantastico se potessimo collaborare con ricercatori esperti in oscillatori meccanici. Se potessimo implementare i nostri effetti di memoria in quei sistemi, l'impatto sulla tecnologia energetica sarà enorme".
