Wohldosiertes Rauschen

Üblicherweise bedeutet Rauschen in der Physik für Wissenschaftler nichts als Ärger: Unspezifische Signale, Störfrequenzen und verringerte Messempfindlichkeit. Physiker der Universitäten Augsburg und Hannover haben jetzt jedoch durch ihre im Rahmen der Nanosystems Initiative Munich (NIM) geförderten Studien entdeckt, dass Rauschen unter anderem in der Quantenmechanik von großem Nutzen sein kann. Das zeigt eine gemeinsame Studie von Peter Hänggi und Peter Talkner von der Universität Augsburg (theoretische Physik) mit der Arbeitsgruppe von Rolf Haug von der Universität Hannover (experimentelle Festkörperphysik).

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit ist es den Forschern gelungen, mit Hilfe von Rauschen winzige, unterschwellige Signale so zu verstärken, dass sie überhaupt erst detektiert werden können. Ein Beispiel für unterschwellige Signale findet sich bei Nervenzellen. Ihr Ruhepotential liegt knapp unter der Schwelle, an der das Aktionspotential ausgelöst und ein Reiz weitergeleitet wird. Oft reicht ein winziger Impuls, um die Schwelle zu überschreiten.

Neuere Erkenntnisse zeigen, dass dieser Impuls auch aus dem Rauschen heraus kommen kann, mit Hilfe stochastischer Resonanz. Ähnlich der optimalen Anregungsfrequenz beim klassischen Resonanzphänomen gibt es hier eine bestimmte Rausch-Intensität, die das Signal optimal verstärkt. Nicht komplette Stille, sondern wohldosiertes Rauschen führt also zu den besten Messergebnissen.

Mit seiner Gruppe hat Hänggi die Allgemeingültigkeit der zugrundeliegenden Theorie für verschiedene physikalische und biologische Systeme bestätigt. Vor kurzem konnten die Augsburger Physiker sogar für die Welt der Quantenmechanik mit ihren ganz eigenen Gesetzen Fälle von stochastischer Resonanz aufzeigen.

Ihre theoretischen Ergebnisse hat das Team jetzt dank Haugs Arbeitsgruppe belegen können. Mit Hilfe eines Einzelelektronen-Tunneltransistors konnten sie zeigen, wie sich die Phänomene der stochastischen Resonanz auf das zeitaufgelöste Quantentunneln von einzelnen Elektronen auswirken.

Nahe am absoluten Temperatur-Nullpunkt machten sich die Forscher das der Quantenmechanik intrinsische Rauschen zu Nutze. Dazu legten sie an einen Quantenpunkt eine minimale Gatterspannung an. Diese modulierten sie zeitlich periodisch und konnten somit verschiedene Rausch-Intensitäten generieren. Im Normalfall fluktuiert die Anzahl der Elektronen, die auf einen Quantenpunkt tunneln und ihn wieder verlassen. Bei einer bestimmten Rausch-Intensität wurde diese Varianz jedoch signifikant unterdrückt. Das Verhältnis von Varianz zum Mittelwert, der Fano-Faktor, sank somit auf ein Minimum. Umgekehrt formuliert entspricht das Ergebnis einem Maximum im Signal-Rausch-Verhältnis, wie man es bei stochastischer Resonanz außerhalb der Quantenwelt beobachtet.

Doch nicht nur die Anzahl der pro Zeiteinheit tunnelnden Elektronen konnten die Wissenschaftler durch das intrinsische Quantenrauschen beeinflussen. Auch deren Verweilzeit auf dem Quantenpunkt ließ sich durch die periodische Gatterspannungsmodulation synchronisieren. Dies zeigt sich an charakteristischen Maxima der zeitabhängigen Wahrscheinlichkeitsdichte, mit der Elektronen auf dem Quantenpunkt verweilen. Solch ein Maximum tritt bei ungeraden Vielfachen der halben Antriebsperiode auf und ist das typische Merkmal einer Quanten-Synchronisation.

U. Augsburg / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Wagner et al.: Quantum stochastic resonance in an a.c.-driven single electron quantum dot, Nat. Phys., online 4. Februar 2019; DOI: 10.1038/s41567-018-0412-5
• Lehrstuhl für theoretische Physik I (P. Hänggi), Universität Augsburg