Dois espelhos com uma gota de óleo no meio formam uma cavidade óptica não linear, em que a ressonância estocástica foi observada. Ao modular a posição em um dos espelhos, a luz do laser (aproximando-se da esquerda) se transforma em sinal (à direita). Uma quantidade ótima de ruído amplifica esse sinal quando as condições de ressonância estocástica são satisfeitas. Crédito:Henk-Jan Boluijt (AMOLF)
Os sinais podem ser amplificados por uma quantidade ideal de ruído, mas a ressonância estocástica é um fenômeno frágil. Os pesquisadores da AMOLF foram os primeiros a investigar o papel da memória para esse fenômeno em uma microcavidade óptica cheia de óleo. Os efeitos da não linearidade lenta (ou seja, memória) na ressonância estocástica nunca foram considerados antes, mas esses experimentos sugerem que a ressonância estocástica se torna robusta a variações na frequência do sinal quando os sistemas têm memória. Isso tem implicações em muitos campos da física e da tecnologia energética. Em particular, os cientistas mostram numericamente que introduzir a não linearidade lenta em um oscilador mecânico que coleta energia do ruído pode aumentar sua eficiência dez vezes. Eles publicaram suas descobertas em Cartas de revisão física em 27 de maio.
Não é fácil se concentrar em uma tarefa difícil quando duas pessoas estão discutindo muito bem ao seu lado. Contudo, silêncio completo nem sempre é a melhor alternativa. Quer seja uma música suave, o ruído do tráfego remoto ou o zumbido de pessoas conversando à distância, para muitas pessoas, uma quantidade ideal de ruído permite que eles se concentrem melhor. "Este é o equivalente humano da ressonância estocástica, "diz o líder do grupo AMOLF Said Rodriguez." Em nossos laboratórios científicos, a ressonância estocástica ocorre em sistemas não lineares que são biestáveis. Isso significa que, para uma determinada entrada, a saída pode alternar entre dois valores possíveis. Quando a entrada é um sinal periódico, a resposta de um sistema não linear pode ser amplificada por uma quantidade ótima de ruído usando a condição de ressonância estocástica. "
Era do Gelo
Nos anos 1980, a ressonância estocástica foi proposta como uma explicação para a recorrência das eras glaciais. Desde então, foi observado em muitos sistemas naturais e tecnológicos, mas esta observação generalizada representa um enigma para os cientistas, Rodriguez diz. "A teoria sugere que a ressonância estocástica só pode ocorrer em uma frequência de sinal muito específica. No entanto, muitos sistemas que envolvem ruído existem em ambientes onde as frequências de sinal flutuam. Por exemplo, foi demonstrado que certos peixes atacam o plâncton ao detectar um sinal que eles emitem, e que uma quantidade ótima de ruído aumenta a capacidade do peixe de detectar esse sinal por meio do fenômeno da ressonância estocástica. Mas como esse efeito pode sobreviver às flutuações na frequência do sinal que ocorrem em ambientes tão complexos? "
Efeitos de memória
Rodriguez e seu Ph.D. estudante Kevin Peters, o primeiro autor do artigo, foram os primeiros a demonstrar que os efeitos da memória devem ser levados em consideração para resolver esse quebra-cabeça. "A teoria da ressonância estocástica pressupõe que os sistemas não lineares respondem instantaneamente a um sinal de entrada. No entanto, na realidade, a maioria dos sistemas responde ao seu ambiente com um certo atraso e sua resposta depende de tudo o que aconteceu antes, ", diz ele. Esses efeitos de memória são difíceis de descrever teoricamente e controlar experimentalmente, mas o grupo Interacting Photons no AMOLF agora administrou ambos.
Rodriguez diz, "Adicionamos uma quantidade controlada de ruído a um feixe de luz laser e o direcionamos para uma pequena cavidade cheia de óleo, que é um sistema não linear. A luz faz com que a temperatura do óleo suba, e suas propriedades ópticas para mudar, mas não imediatamente. Demora cerca de 10 microssegundos; portanto, o sistema não é instantâneo, também. Em nossos experimentos, mostramos pela primeira vez que a ressonância estocástica pode ocorrer em uma ampla faixa de frequências de sinal quando os efeitos de memória estão presentes. "
Coleta de energia
Tendo assim mostrado que a ocorrência generalizada de ressonância estocástica pode ser devido à dinâmica de memória ainda não percebida, os pesquisadores esperam que seus resultados inspirem colegas em vários outros campos da ciência a pesquisar os efeitos da memória em seus próprios sistemas. Para estender o impacto de suas descobertas, Rodriguez e sua equipe investigaram teoricamente os efeitos da resposta não instantânea em sistemas mecânicos de captação de energia. "Pequenos dispositivos piezoelétricos que coletam energia de vibrações são úteis quando a substituição da bateria é difícil, por exemplo, em marca-passos ou outros dispositivos biomédicos, "ele explica." Encontramos um aumento de dez vezes na quantidade de energia que poderia ser colhida das vibrações ambientais, se os efeitos da memória teriam sido incorporados. "
O próximo passo óbvio para o grupo é expandir seu sistema com várias cavidades preenchidas com óleo conectadas e investigar o comportamento coletivo emergente do ruído. Rodriguez não tem medo de sair de sua zona de conforto científico. Ele diz:"Seria ótimo se pudéssemos nos juntar a pesquisadores com experiência em osciladores mecânicos. Se pudermos implementar nossos efeitos de memória nesses sistemas, o impacto na tecnologia de energia será enorme. "
