Door het ontwerp van microringsensoren te tweaken, wordt hun gevoeligheid verbeterd zonder de implementatiecomplexiteit te vergroten.

Optische detectie is een van de belangrijkste toepassingen van lichtwetenschap. Het speelt een cruciale rol in de astronomie, Milieuwetenschappen, industrie en medische diagnoses.

Ondanks de verscheidenheid aan schema's die worden gebruikt voor optische detectie, ze delen allemaal hetzelfde principe:de te meten hoeveelheid moet een "vingerafdruk" achterlaten op de optische respons van het systeem. De vingerafdruk kan de overdracht zijn, reflectie of absorptie. Hoe sterker deze effecten zijn, hoe sterker de respons van het systeem.

Hoewel dit op macroscopisch niveau goed werkt, klein meten, microscopisch kleine hoeveelheden die een zwakke respons induceren, is een uitdagende taak. Onderzoekers hebben technieken ontwikkeld om deze moeilijkheid te overwinnen en de gevoeligheid van hun apparaten te verbeteren. Sommige van deze technieken, die afhankelijk zijn van complexe kwantumopticaconcepten en implementaties, zijn inderdaad nuttig gebleken, zoals bij het waarnemen van zwaartekrachtsgolven in het LIGO-project. anderen, die zijn gebaseerd op het vangen van licht in kleine doosjes die optische resonatoren worden genoemd, zijn erin geslaagd microdeeltjes en relatief grote biologische componenten te detecteren.

Niettemin, het vermogen om kleine nanodeeltjes en uiteindelijk enkelvoudige moleculen te detecteren blijft een uitdaging. De huidige pogingen zijn gericht op een speciaal type lichtvangende apparaten, microring- of microtoroid-resonatoren genaamd - deze versterken de interactie tussen licht en het te detecteren molecuul. De gevoeligheid van deze apparaten, echter, wordt beperkt door hun fundamentele fysica.

In hun artikel "Sensing met uitzonderlijke oppervlakken om gevoeligheid te combineren met robuustheid", gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , natuurkundigen en ingenieurs van de Michigan Technological University, Pennsylvania State University en de University of Central Florida stellen een nieuw type sensor voor. Ze zijn gebaseerd op de nieuwe notie van uitzonderlijke oppervlakken:oppervlakken die bestaan ​​uit uitzonderlijke punten.

Uitzonderlijke punten voor uitzonderlijk gevoelige detectie

Om de betekenis van uitzonderlijke punten te begrijpen, overweeg een denkbeeldige viool met slechts twee snaren. In het algemeen, zo'n viool kan slechts twee verschillende tonen produceren - een situatie die overeenkomt met een conventionele optische resonator. Als de trilling van de ene snaar de trilling van de andere snaar zodanig kan veranderen dat het geluid en de elastische trillingen slechts één toon en één gezamenlijke snaarbeweging creëren, het systeem heeft een uitzonderlijk punt.

Een fysiek systeem dat een uitzonderlijk punt vertoont, is erg kwetsbaar. Met andere woorden, elke kleine verstoring zal zijn gedrag drastisch veranderen. De functie maakt het systeem zeer gevoelig voor kleine signalen.

"Ondanks deze belofte, dezelfde verbeterde gevoeligheid van uitzonderlijke puntgebaseerde sensoren is ook hun achilleshiel:deze apparaten zijn erg gevoelig voor onvermijdelijke fabricagefouten en ongewenste omgevingsvariaties, " zei Ramy El-Ganainy, universitair hoofddocent natuurkunde, eraan toevoegend dat de gevoeligheid in eerdere experimentele demonstraties slimme afstemmingstrucs vereiste.

"Ons huidige voorstel lost de meeste van deze problemen op door een nieuw systeem te introduceren met dezelfde verbeterde gevoeligheid als beschreven in eerder werk, terwijl het tegelijkertijd robuust is tegen de meerderheid van de onvoorstelbare experimentele onzekerheid, " zei Qi Zhong, hoofdauteur van het papier en een afgestudeerde student die momenteel werkt aan zijn doctoraat aan Michigan Tech.

Hoewel het ontwerp van microringsensoren nog steeds wordt verfijnd, onderzoekers hopen dat door de apparaten te verbeteren, ogenschijnlijk kleine optische waarnemingen zullen grote effecten hebben.