Mit dem Rauschen arbeiten

Ein Forscherteam am Paul-Drude-Institut für Festkörper­elek­tronik konnte gemein­sam mit Kollegen aus China und Spanien zeigen, dass Rauschen räum­liche und zeit­liche Ord­nung in nicht­linearen Systemen ver­ur­sachen kann. Dieser Effekt könnte in Zukunft dazu ver­wendet werden, stark ver­rauschte Signale zu iden­ti­fi­zieren. Umge­kehrt könnten auch Signale in einen ver­rauschten Hinter­grund ein­ge­bettet und damit ver­schlüsselt werden, um sie später zurück­zu­gewinnen.

Rauschen ist normalerweise eine Störung, die für praktische Anwen­dungen ver­mieden oder zumin­dest mini­miert wird. Aller­dings kann Rauschen manch­mal auch eine kon­struk­tive Rolle über­nehmen, um ver­wend­bare Resul­tate zu erzielen. Wenn das Rauschen zusammen mit perio­dischen Oszil­la­tionen kleiner Ampli­tude an ein nicht­lineares System ange­legt wird, können sehr diffi­zile Effekte auf­treten. Rauschen kann ein statio­näres System in einen schwin­genden Zustand mit kohä­renten Selbst­oszil­la­tionen des Stroms mit abstimm­baren Frequenzen zwischen null und hundert Mega­hertz treiben, den man als kohä­rente Reso­nanz bezeichnet. Indem man zum Rauschen perio­dische Oszil­la­tionen kleiner Ampli­tude mit einer Frequenz nahe der der Strom­selbst­oszil­la­tionen hin­zu­fügt, wird das nicht­lineare System mit der kohä­renten Reso­nanz phasen­ver­riegelt.

Diese stochastische Resonanz kann als passiver Lock-In-Ver­stärker ver­wendet werden, der kein Referenz­signal benötigt und der sehr viel kürzere Inte­gra­tions­zeiten als konve­ntio­nelle Lock-In-Ver­stärker erlaubt. Bisher basieren alle Methoden für die Detek­tion schwacher Signale auf der Korre­la­tion mit einem bekannten Referenz­signal. Deshalb ist es unmög­lich, unbe­kannte Signale, die in einem Hinter­grund mit starkem Rauschen ver­borgen sind, zu identi­fi­zieren. Typische Lock-In-Ver­stärker benötigen ein Referenz­signal im Bereich von einigen zehn Hertz bis in den Mega­hertz-Bereich und Inte­gra­tions­zeiten in der Größen­ord­nung von Milli­sekunden. Der umfang­reiche Frequenz­bereich der kohä­renten Reso­nanz erlaubt einen Betrieb ohne jeg­liches Referenz­signal und eine außer­ordent­liche Ver­ringe­rung der Integra­tions­zeit zur Ver­arbei­tung des Signals.

Das Forscherteam hat das Auftreten der kohärenten und stochas­tischen Reso­nanz in einem dotieren, schwach gekop­pelten GaAs/(Al,Ga)As-Über­gitter mit 45 Prozent Al bei Zimmer­tempe­ratur nach­ge­wiesen. Die parallel durch­ge­führten nume­rischen Simu­la­tionen des Elek­tronen­trans­ports auf der Basis eines diskreten Modells unter Ver­wen­dung des sequen­tiellen Tunnel­effekts geben diese Resul­tate quali­tativ sehr gut wieder. Zusätz­lich kann das theore­tische Modell dazu ver­wendet werden, den bau­element­abhän­gigen kritischen Strom für die kohä­rente Reso­nanz direkt aus den experi­men­tellen Ergeb­nissen zu bestimmen.

FVB / RK