Aus dem Labor: Nanorauschen verstärkt Empfang

Gezielte Störsignale heben zu schwache Datensignale über die Nachweisgrenze

Kontext: Störrauschen verschlechtert die Übertragung von Signalen. Doch in der richtigen Dosierung kann Rauschen die Qualität der Datenübertragung auch verbessern. Zu schwache Signale werden mit diesem Prinzip der stochastischen Resonanz über die Nachweisschwelle gehoben und können empfangen werden. Wird diese Methode in der Natur bespielsweise von Hummern und bei physikalischen Experimenten vereinzelt zur Verbesserung akustischer oder elektrischer Signale angewandt, konnten Robert Badzey und Kollegen von der Boston University in Massachusetts diesen Effekt erstmal bei mechanischen Schwingungszuständen eines nanostrukturierten Oszillators nachweisen.

Methode: Die Forscher spannten einen sieben Mikrometer langen und 200 Nanometer dicken Stab aus kristallinem Silizium an beiden Enden fest und kühlten diesen auf 300 Millikelvin ab. Über ein Mikrowellenfeld von etwa 22 Megahertz konnte dieser Stab zu anharmonischen Schwingungen in zwei verschiedenen Zuständen angeregt werden. Mit einem zusätzlichen, starken periodischem Signal kann zwischen beiden Schwingungszuständen geschaltet werden. Doch auch ein eigentlich zu schwaches Signal reichte für diesen Schaltprozess aus. Allerdings nur, wenn ein weiteres, exakt dosiertes Wellenrauschen über einen breiten Frequenzbereich dazugeschaltet wurde ("Weißes Rauschen"). Alternativ führte auch ein gezieltes Aufheizen der Probe, das ein so genanntes thermischen Rauschen erzeugte, zu dieser stochastischen Resonanz.

Relevanz: Konnte die Signalverstärkung mit einem Störrauschen bisher in der Elektronik bei makroskopischen Ringoszillatoren oder supraleitenden Squids verwendet werden, nutzten Badzey und Kollegen diesen Effekt nun auch für Nanometer kleine Objekte und mechanische Vorgänge. Noch ist dieses Ergebnis klar in den Bereich der Grundlagenforschung einzuordnen. Doch das Experiment eröffnet eine Methode, um mit den beiden Schwingungszuständen - stellvertretend für "0" und "1" - digitale Daten nicht elektronisch, sondern mechanisch über winzige Schwingungen zu verarbeiten.

Quelle: Coherent signal amplification in bistable nanomechanical oscillators by stochastic resonance, Robert L. Badzey und Pritiraj Mohanty, Nature, Bd. 437, S: 995 (wst)