Deux miroirs avec une goutte d'huile entre eux forment une cavité optique non linéaire, dans laquelle une résonance stochastique a été observée. En modulant la position sur l'un des rétroviseurs, la lumière laser (approchant de la gauche) est transformée en un signal (à droite). Une quantité optimale de bruit amplifie ce signal lorsque les conditions de résonance stochastique sont remplies. Crédit :Henk-Jan Boluijt (AMOLF)
Les signaux peuvent être amplifiés par une quantité optimale de bruit, mais la résonance stochastique est un phénomène fragile. Les chercheurs de l'AMOLF ont été les premiers à étudier le rôle de la mémoire dans ce phénomène dans une microcavité optique remplie d'huile. Les effets de la non-linéarité lente (c'est-à-dire la mémoire) sur la résonance stochastique n'ont jamais été pris en compte auparavant, mais ces expériences suggèrent que la résonance stochastique devient robuste aux variations de la fréquence du signal lorsque les systèmes ont de la mémoire. Cela a des implications dans de nombreux domaines de la physique et de la technologie énergétique. En particulier, les scientifiques montrent numériquement que l'introduction d'une non-linéarité lente dans un oscillateur mécanique récupérant l'énergie du bruit peut décupler son efficacité. Ils ont publié leurs conclusions dans Lettres d'examen physique le 27 mai.
Il n'est pas facile de se concentrer sur une tâche difficile lorsque deux personnes discutent bruyamment à côté de vous. Cependant, le silence complet n'est souvent pas la meilleure alternative. Que ce soit de la musique douce, le bruit de la circulation à distance ou le bourdonnement des gens qui discutent au loin, pour plusieurs personnes, une quantité optimale de bruit leur permet de mieux se concentrer. "C'est l'équivalent humain de la résonance stochastique, " déclare Said Rodriguez, chef du groupe AMOLF. " Dans nos laboratoires scientifiques, la résonance stochastique se produit dans les systèmes non linéaires qui sont bistables. Cela signifie que, pour une entrée donnée, la sortie peut basculer entre deux valeurs possibles. Lorsque l'entrée est un signal périodique, la réponse d'un système non linéaire peut être amplifiée par une quantité optimale de bruit en utilisant la condition de résonance stochastique."
Âges de glace
Dans les années 1980, la résonance stochastique a été proposée comme explication de la récurrence des périodes glaciaires. Depuis, il a été observé dans de nombreux systèmes naturels et technologiques, mais cette observation généralisée pose une énigme aux scientifiques, dit Rodriguez. "La théorie suggère que la résonance stochastique ne peut se produire qu'à une fréquence de signal très spécifique. Cependant, de nombreux systèmes absorbant le bruit existent dans des environnements où les fréquences des signaux fluctuent. Par exemple, il a été démontré que certains poissons se nourrissent de plancton en détectant un signal qu'ils émettent, et qu'une quantité optimale de bruit améliore la capacité du poisson à détecter ce signal grâce au phénomène de résonance stochastique. Mais comment cet effet peut-il survivre aux fluctuations de la fréquence du signal se produisant dans des environnements aussi complexes ?"
Effets de mémoire
Rodriguez et son doctorat. étudiant Kevin Peters, le premier auteur de l'article, ont été les premiers à démontrer que les effets de mémoire doivent être pris en compte pour résoudre cette énigme. "La théorie de la résonance stochastique suppose que les systèmes non linéaires répondent instantanément à un signal d'entrée. Cependant, en réalité, la plupart des systèmes répondent à leur environnement avec un certain délai et leur réponse dépend de tout ce qui s'est passé avant, " dit-il. De tels effets de mémoire sont difficiles à décrire théoriquement et à contrôler expérimentalement, mais le groupe Interacting Photons d'AMOLF gère désormais les deux.
Rodriguez dit, "Nous avons ajouté une quantité contrôlée de bruit à un faisceau de lumière laser et l'avons fait briller sur une minuscule cavité remplie d'huile, qui est un système non linéaire. La lumière fait monter la température de l'huile, et ses propriétés optiques à changer, mais pas tout de suite. Cela prend environ 10 microsecondes; Donc, le système n'est pas instantané, également. Dans nos expériences, nous avons montré pour la première fois que la résonance stochastique peut se produire sur une large gamme de fréquences de signal lorsque des effets de mémoire sont présents."
Récupération d'énergie
Ayant ainsi montré que l'occurrence généralisée de la résonance stochastique peut être due à des dynamiques mémorielles encore inaperçues, les chercheurs espèrent que leurs résultats inspireront des collègues de plusieurs autres domaines scientifiques à rechercher des effets de mémoire dans leurs propres systèmes. Pour étendre l'impact de leurs découvertes, Rodriguez et son équipe ont étudié théoriquement les effets de la réponse non instantanée sur les systèmes mécaniques de récupération d'énergie. "Les petits appareils piézo-électriques qui récupèrent l'énergie des vibrations sont utiles lorsque le remplacement de la batterie est difficile, par exemple dans les stimulateurs cardiaques ou autres dispositifs biomédicaux, " explique-t-il. " Nous avons trouvé une multiplication par dix de la quantité d'énergie qui pourrait être récoltée à partir des vibrations environnementales, si des effets de mémoire avaient été incorporés."
La prochaine étape évidente pour le groupe est d'étendre leur système avec plusieurs cavités remplies d'huile connectées et d'étudier le comportement collectif émergeant du bruit. Rodriguez n'a pas peur de sortir de sa zone de confort scientifique. Il dit :« Ce serait formidable si nous pouvions faire équipe avec des chercheurs qui ont une expertise dans les oscillateurs mécaniques. Si nous pouvons mettre en œuvre nos effets de mémoire dans ces systèmes, l'impact sur la technologie énergétique sera énorme."
