01.10.2018

Mit dem Rauschen arbeiten

Rauschen kann räumliche und zeitliche Ordnung in nicht­linearen Systemen ver­ursachen.

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.

Abb.: Bei astronomischen Beobachtungen ist Rauschen ein uner­wünsch­tes Phänomen. (Bild: ESA / J. Schmidt, NASA)

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

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen