Experimento Interactivo 9 de Sistemas fuera del Equilibrio

Resonancia Estocástica

La segunda aplicación del movimiento browniano en potenciales externos es la llamada resonancia estocástica. El fenómeno se produce cuando una partícula en un potencial de dos pozos es sometida a una fuerza que oscila en el tiempo.

Si la fuerza no es suficientemente intensa como para eliminar uno de los pozos, entonces la partícula sólo puede saltar de uno a otro mediante un proceso de activación térmico, como el estudiado en el experimento 8. Por tanto, si la temperatura es muy baja, la partícula permanecerá siempre en el pozo de partida. Por otro lado, si la temperatura es muy alta, la partícula se difunde como si el potencial no estuviera presenta (ver experimento 7). Por tanto, debe existir una temperatura en la cual la partícula salta de un pozo a otro de forma sincronizada con la perturbación externa. Es decir, una temperatura para la cual la correlación entre el forzamiento o señal externa y la respuesta del sistema es máxima. Esto es lo que se conoce como resonancia estocástica y la temperatura de resonancia es, aproximadamente, aquélla para la cual el tiempo medio de salto entre uno y otro pozo coincide con el periodo de la señal.

En el siguiente applet podemos ver la resonancia estocástica y tal y como la hemos descrito. En él se pueden variar la amplitud y frecuencia de la señal así como la temperatura.

En la gráfica de la derecha se muestra el comportamiento de la partícula y el mínimo global del potencial. Se puede observar a simple vista que, para ciertas temperaturas, existe una alta correlación entre la partícula y la señal y que esta correlación se pierde al aumentar o disminuir la temperatura. Esta correlación se puede estudiar de modo cuantitativo mediante la relación señal-ruido (NSR) o el llamado factor de calidad.

La resonancia estocástica se ha propuesto como mecanismo de una gran variedad de fenómenos. La página dedicada a la resonancia estocástica del grupo de Luca Gamaitoni contiene enlaces relacionados con el tema y un artículo de revisión muy completo.

Algunas de las aplicaciones más interesantes se encuentran en el campo de la percepción. En la página Visual  Perception and Stochastic Resonance se puede ver un applet sencillo en el que una imagen se pasa por un filtro no lineal. La imagen no puede apreciarse pero, al añadir ruido, se hace visible. Finalmente, si el ruido es demasiado intenso la imagen se convierte en una nube de puntos aleatorios. Este tipo de resonancia estocástica es más simple que el que hemos estudiado aquí y se basa en filtros o sistemas cuya respuesta se activa a partir de un cierto umbral y son alimentados por señales que se encuentran por debajo del umbral. Kanamaru ha diseñado un applet que ilustra este fenómeno.