Stochastic Resonance, a cooperative effect in nonlinear systems, arises through the interplay of noise and a weak signal. The standard example for a system showing Stochastic Resonance is an overdamped particle in a modulated double-well potential. In this work such a model system was realized experimentally by creating a double-well potential for a colloidal particle using optical tweezers. In contrast to other experiments this system can be characterized well enough to allow a quantitative comparison of the experimental results with simulations of simple model dynamics. In a single double-well system a particle's trajectory was observed for different modulation periods and modulation amplitudes. Using these measurements we compared three criteria wich allow the characterization of Stochastic Resonance in a system with constant noise and variable modulation time: the area under the first peak of the residence time distribution, the area of the hysteresis loops and the mean time during which the phase of the modulation and the phase of the particle's motion are synchronized. For sufficiently high modulation amplitudes the latter turned out to be the most sensitive criterion. The key experiment in this work are measurements on a system of four coupled particles where each particle fluctuates in a modulated double-well potential. In this system it was shown that with increasing coupling strength the resonance can be enhanced and its position can be shifted towards longer modulation periods. This is a first step towards the investigation of complex systems on a microscopic scale. The dissertation concludes with experiments on Resonant Activation. While for Stochastic Resonance the synchronization between the signal and the particle's motion is vital, the essential point for Resonant Activation is the efficiency of the barrier crossing process. We investigated both phenomena in the same system. We show that for our example the 'resonance frequency' for Resonant Activation is significantly higher than the one for Stochastic Resonance.

Der Begriff Stochastische Resonanz steht für einen kooperativen Effekt, der in nichtlinearen Systemen auftritt, wenn Rauschen und ein schwaches Signal zusammenspielen. Das Signal wird dann am besten übertragen, wenn die Signalfrequenz und die Rauschstärke optimal aufeinander abgestimmt sind. Das Standardbeispiel für ein System, in dem Stochastische Resonanz auftritt, ist ein überdämpftes Teilchen im modulierten Doppelmuldenpotential. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein solches Modellsystem experimentell realisiert, indem mit Hilfe optischer Pinzetten ein modulierbares Doppelmuldenpotential für ein kolloidales Teilchen geschaffen wurde. Im Gegensatz zu anderen Experimenten kann dieses System so gut charakterisiert werden, dass die experimentellen Ergebnisse quantitativ mit Simulationen einer einfachen Modelldynamik verglichen werden können. In einem einzelnen Doppelmuldensystem wurde die Trajektorie des Teilchens für verschiedene Modulationszeiten und verschiedene Modulationsamplituden beobachtet. Anhand dieser Messungen wurden drei Kriterien, die eine Charakterisierung der Stochastischen Resonanz in einem System mit konstantem Rauschen und variabler Modulationszeit erlauben, verglichen: Die Fläche unter dem ersten Peak der Wartezeitenverteilung, die Fläche der Hysteresekurve und die mittlere Zeit, während der die Phase der Modulation und diejenige der Teilchenbewegung synchronisiert sind. Für hinreichend große Modulationsamplituden hat sich das letztgenannte als das empfindlichste Kriterium erwiesen. Das Schlüsselexperiment dieser Arbeit sind Messungen an einem System von vier gekoppelten Teilchen, die jeweils in einem modulierten Doppelmuldenpotential fluktuieren. In diesem System konnte nachgewiesen werden, dass mit zunehmender Kopplungsstärke sowohl die Resonanz verstärkt als auch deren Position zu längeren Modulationszeiten hin verschoben werden kann. Das ist ein erster Schritt zur experimentellen Untersuchung komplexer Systeme auf einer mikroskopischen Ebene. Den Abschluss der Arbeit bilden Experimente zur Resonanten Aktivierung. Während für die Stochastische Resonanz die Synchronisation zwischen Signal und Teilchenbewegung entscheidend ist, geht es bei der Resonanten Aktivierung darum, unter welchen Bedingungen das Teilchen einen metastabilen Zustand im Mittel am schnellsten verlässt. Wir haben beide Phänomene am gleichen System untersucht und können an diesem Beispiel zeigen, dass die "Resonanzfrequenz" für die Resonante Aktivierung deutlich größer ist als diejenige für die Stochastische Resonanz.