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 據(jù)悉，最近由中國、西班牙和德國組成的研究團(tuán)隊（中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、國防科技大學(xué)、西班牙皇家馬德里第三大學(xué)和德國 Paul-Drude 固體電子研究所），通過研究證明了利用噪聲，可以在一種由量子共振隧穿效應(yīng)引起的具有多自由度非線性動力學(xué)系統(tǒng)的半導(dǎo)體超晶格器件中誘導(dǎo)出空間和時間序，用于檢測并放大高頻微弱信號。這種物理效應(yīng)可以用來識別隱藏在強(qiáng)噪聲中的未知微弱信號；或者將有用的微弱信號嵌入到噪聲背景中并恢復(fù)出來，這樣可以對捕獲到的有用信號進(jìn)行加密。例如，從噪聲環(huán)境中提取對話信號、進(jìn)行天文觀測、雷達(dá)信號探測、圖像處理等。目前，其研究結(jié)果分別以兩篇連續(xù)論文的形式發(fā)表在國際刊物《物理評論快報》（簡稱 PRL ）上，其中一篇側(cè)重于物理實驗研究 [ PRL 121 ， 086806 （ 2018 ） ] ，另一篇側(cè)重于數(shù)值模擬的理論研究 [ PRL 121 ， 086805 （ 2018 ） ] 。

該研究團(tuán)隊將噪聲與微弱周期信號耦合應(yīng)用于 Al 含量為 45% 的 GaAs/(Al,Ga)As 弱耦合超晶格非線性系統(tǒng)中，獲得了較為理想的物理結(jié)果。噪聲能促使靜止?fàn)顟B(tài)的系統(tǒng)進(jìn)入周期性振蕩模式，導(dǎo)致電流自激振蕩的頻率范圍在 100 MHz 左右，這被稱為相干共振；同時，基于離散的弱耦合超晶格級聯(lián)共振隧穿模型，進(jìn)行的電子輸運(yùn)數(shù)值模擬很好地再現(xiàn)了實驗結(jié)果。圖 1 給出了實驗和理論模擬得到的 振蕩峰間隔的標(biāo)準(zhǔn)方差和噪聲均方根值的關(guān)系圖。 進(jìn)一步，在噪聲背景中疊加頻率接近電流自激振蕩頻率的微弱周期信號，非線性系統(tǒng)的相干共振模式會被這個疊加的微弱信號鎖相，把背景噪聲的能量轉(zhuǎn)換給微弱信號，既實現(xiàn)了微弱信號放大，同時又改善了信噪比，這種現(xiàn)象被稱為隨機(jī)共振 ， 如圖 2 所示 。這種隨機(jī)共振可以作為被動鎖相放大器使用，用于探測和識別被噪聲背景淹沒的微弱信號，不需要參考信號，并且具有比傳統(tǒng)鎖相放大器更短的積分時間。目前，所有檢測微弱信號的方法都是基于已知參考信號，是主動探測模式而不是被動探測模式， 這樣就不能用于識別隱藏在強(qiáng)噪聲背景中的未知信號。典型的鎖相放大器需要幾十 Hz到MHz范圍的參考信號和毫秒量級的積分時間。在相干共振的寬頻率范圍內(nèi)，利用超晶格器件的隨機(jī)共振效應(yīng)，允許在沒有參考信號的情況下進(jìn)行未知微弱信號的檢測與識別，并且可以顯著減少處理信號的積分時間。

該項工作由邵錚錚和殷志珍作為共同第一作者完成，得到蘇州納米所課題組內(nèi)所有同事以及 M. Carretero ， E. Mompo ， S. W.Teitsworth 研究團(tuán)隊的支持，得到中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項（ XDA06010705 ）、國家自然科學(xué)基金（ 61070040 和 61204093 ）、國家重點研發(fā)計劃（ 2016YFE0129400 ）、探索項目（ 7131266 ）等的資助和支持。

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圖 1. 實驗和理論模擬得到的振蕩峰間隔的標(biāo)準(zhǔn)方差和噪聲均方根值的關(guān)系圖

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圖 2. 時域和頻域中，輸出信號與噪聲均方根值的關(guān)系圖