Er is lang gedacht dat twee gezelschap en drie een menigte is. Maar elektrotechnici en systeemingenieurs aan de Washington University in St. Louis en hun medewerkers hebben aangetoond dat de toevoeging van een derde nanoverstrooier, als aanvulling op twee "tuning" nanoverstrooiers, naar een fotonica-resonator zorgt voor een boeiend natuurkundig feest.

specifiek, de twee afstemmende nanoverstrooiers zetten de resonator op een "uitzonderlijk punt, " een speciale toestand van een systeem waarbij ongebruikelijke verschijnselen kunnen optreden. De derde nanoverstrooier verstoort het systeem, en als een vervelende pestkop op de speelplaats, hoe kleiner het is, hoe meer respons het krijgt.

Het Washington University-team, geleid door Lan Yang, de Edwin H. &Florence G. Skinner hoogleraar Electrical &Systems Engineering, heeft onlangs grote vooruitgang geboekt in de studie en manipulatie van licht. De meest recente ontdekking van het team van het detectievermogen van microresonatoren kan gevolgen hebben voor de creatie van biomedische apparaten, elektronica en apparaten voor het detecteren van biologische gevaren.

"Het is een uitdaging om objecten op nanoschaal te detecteren, zoals nanodeeltjes, " zei Yang. "Als het object erg klein is, het introduceert weinig verstoring van een sensorsysteem. We gebruiken een ongebruikelijk topologisch kenmerk dat is gekoppeld aan uitzonderlijke punten van een fysiek systeem om de respons van een optische sensor op zeer kleine verstoringen te verbeteren, zoals die geïntroduceerd door objecten op nanoschaal. Het mooie van de uitzonderlijke puntsensor is hoe kleiner de verstoring, hoe groter de verbetering in vergelijking met een conventionele sensor."

Yang's sensorsysteem behoort tot een categorie genaamd Whispering Gallery Mode (WGM) resonators, die werken als de beroemde fluistergalerij in St. Paul's Cathedral in Londen, waar iemand aan de ene kant van de koepel een bericht kan horen dat door iemand aan de andere kant tegen de muur wordt gesproken. In tegenstelling tot de koepel, die resonanties of sweet spots heeft in het hoorbare bereik, de sensor resoneert op lichtfrequenties.

"Het zogenaamde 'uitzonderlijke punt' geeft een fluistergalerijsensor uitzonderlijke prestaties voor het detecteren van objecten op nanoschaal, die die van conventionele fluistergalerijsensoren overtreft, " zei Weijian Chen, een doctoraatsstudent elektrotechniek in het lab van Yang. "Opvallend, hoe kleiner het doelobject is, hoe beter de prestaties van onze nieuwe sensor zullen zijn."

Yang's WGM heeft twee bijbehorende silica-verstrooiers, of nanotips, die zich op de ringkern bevindt, of donutvormige draad, de weg waar miljoenen lichtpakketten, fotonen genaamd, doorheen moeten. Deze apparaten stemmen verschillende parameters in het systeem af om de functie te beïnvloeden. Met behulp van nanopositioneringssystemen, de onderzoekers kunnen de verstrooiers verplaatsen en de grootte vergroten en zelfs een ander medium introduceren - een virusdeeltje, bijvoorbeeld - het veld in om het veld te verstoren en een uitzonderlijk punt te wenken.

In de meest recente experimenten van het team, de twee "tuning" nanoverstrooiers brengen de resonator naar uitzonderlijke punten; het derde deeltje verstoort het systeem vanuit zijn uitzonderlijke punten en leidt tot een frequentiesplitsing. Vanwege de zeer complexe worteltopologie nabij een uitzonderlijk punt, de frequentie-splitsing, dat is het detectiesignaal, wordt wiskundig weergegeven als de vierkantswortel van de verstoringssterkte. Het is aanzienlijk groter dan wat wordt gevonden in traditionele, niet-uitzonderlijke point-sensing-schema's die zeer kleine verstoringen gebruiken.

Yang en haar groep onderzoeken het gebruik van het uitzonderlijke punt in fotoakoestische beeldvormingsstudies en andere scenario's waarbij ze streven naar de ontwikkeling van "onconventionele lichttransportmodi, ' ze zei. "Daar moeten veel aanvragen uit voortkomen."