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激光实验显示记忆在随机共振中的作用

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乔尔·威廉姆斯,副主编
(电子邮件保护)

阿姆斯特丹,2021年6月3日——AMOLF(荷兰科学研究组织的一部分)的科学家们进行的一项激光实验增强了对记忆在随机共振中的作用的理解。

随机共振描述的现象,在其中一个信号被放大的最佳数量噪音;用一个类比来解释,考虑一个需要大量注意力的任务。当附近有大声的谈话声时,任务可能会更困难。然而,在完全沉默的情况下,也很难集中注意力。许多人发现,特定水平的噪音无论是风扇的嗡嗡声,还是人们在街上低沉的聊天声,都能让他们更有效地集中注意力。

“这是人类的随机共振,”AMOLF小组组长said Rodriguez说。“在我们的科学实验室里,随机共振发生在双稳态的非线性系统中。这意味着,对于给定的输入,输出可以在两个可能的值之间切换。当输入是一个周期信号时,利用随机共振条件,非线性系统的响应可以被一个最佳的噪声量放大。

随机共振是20世纪80年代提出的一种解释气候周期的方法。科学家注意到全球平均温度波动的一个模式,表明气候可能是一个在两种温度状态之间切换的双稳态系统。是否随机共振实际上是造成这种效应的原因仍存在争议,尽管该理论导致了一些研究努力,以确定是否在其他系统中可以观察到类似的效应。
两个镜面之间加一滴油形成非线性光学腔,在腔内观察到随机共振。通过调制其中一个镜子的位置,激光(从左边接近)变成一个信号(右边)。当满足随机共振的条件时,噪声的最佳量放大了这个信号。AMOLF礼貌。
两个镜面之间加一滴油形成一个非线性光学腔,在腔内观察到随机共振。通过调制其中一个镜子的位置,激光(从左边接近)变成一个信号(右边)。当满足随机共振的条件时,噪声的最佳量放大了这个信号。AMOLF礼貌。

“理论表明,随机共振只能发生在一个非常特定的信号频率。然而,许多噪声包容系统存在于信号频率波动的环境中。“例如,有研究表明,某些鱼类通过探测它们发出的信号来捕食浮游生物,而最佳数量的噪音可以通过随机共振现象增强鱼类探测信号的能力。但是这种效应如何在信号频率的波动中存活下来呢?”

罗德里格斯和博士生凯文·彼得斯认为,记忆效应需要考虑在内。在这种情况下,记忆意味着未来取决于过去的历史,Rodriguez告诉Photonics Media。“也许理解记忆效应最简单的方法是在温度变化的背景下。例如,当你把客厅的温度设置到某个值时,房间的温度不会立即改变。”

虽然随机共振理论假设非线性系统对输入信号即时响应,但大多数系统对环境的响应都有延迟,它们的响应取决于之前发生的一切。

在他们的实验中,研究小组在一束激光中加入一定数量的噪声,然后将光束导向一个充满油的微小腔体,这是一个非线性系统。

“一部分光会被石油吸收。油加热,但不是瞬间,”罗德里格斯说。“油的温度上升到稳定状态大约需要10微秒。”

实验表明,当记忆效应存在时,随机共振能够在较宽的信号频率范围内发生。

这需要编写新的(更复杂的)方程,进行新的实验,等等。最终,我们发现了一些新的东西,如果我们像其他人一样假设,我们永远也不会发现:系统即时响应,”罗德里格斯告诉Photonics Media。

著作发表于物理评论快报www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.213901).

Photonics.com
2021年6月
术语表
噪音
扭曲接收信号,从而使所要的信息变得模糊的不希望的和不可预测的波动。噪声干扰可能在通讯系统的设备中产生,或可能从外部进入系统,限制了系统的范围和对信号功率的要求,以确保良好的接收。
研究与技术 激光 随机共振 内存 噪音 AMOLF 双稳态 非线性 欧洲 罗德里格斯说 说Rahimzadeh-Kalaleh罗德里格斯 信号放大 频率

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Laurin出版,Photonics Media
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