Bedre mikroringssensorer til optiske applikationer

Tilpasning af designet til mikroringssensorer øger deres følsomhed uden at tilføje mere implementeringskompleksitet.

Optisk sansning er en af ​​de vigtigste anvendelser inden for lysvidenskab. Det spiller afgørende roller i astronomi, Miljøvidenskab, industri og medicinske diagnoser.

På trods af de mange forskellige ordninger, der bruges til optisk registrering, de deler alle det samme princip:Den mængde, der skal måles, skal efterlade et "fingeraftryk" på systemets optiske reaktion. Fingeraftrykket kan være dets transmission, refleksion eller absorption. Jo stærkere disse effekter er, jo stærkere er systemets respons.

Selvom dette fungerer godt på makroskopisk niveau, måler lille, mikroskopiske størrelser, der fremkalder svag respons, er en udfordrende opgave. Forskere har udviklet teknikker til at overvinde denne vanskelighed og forbedre følsomheden af ​​deres enheder. Nogle af disse teknikker, som er afhængige af komplekse kvanteoptiske koncepter og implementeringer, har vist sig at være nyttige, såsom ved at registrere gravitationsbølger i LIGO -projektet. Andre, som er baseret på at fange lys i små kasser kaldet optiske resonatorer, er det lykkedes at påvise mikropartikler og relativt store biologiske komponenter.

Ikke desto mindre, evnen til at detektere små nanopartikler og til sidst enkelte molekyler er stadig en udfordring. Aktuelle forsøg fokuserer på en særlig type lysindfangningsanordninger kaldet microring eller mikrotoroidresonatorer - disse forbedrer interaktionen mellem lys og det molekyle, der skal detekteres. Følsomheden af ​​disse enheder, imidlertid, er begrænset af deres grundlæggende fysik.

I deres artikel "Sensing with Exceptional Surfaces in order to Combine Sensitivity with Robustness" offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , fysikere og ingeniører fra Michigan Technological University, Pennsylvania State University og University of Central Florida foreslår en ny type sensor. De er baseret på den nye forestilling om ekstraordinære overflader:overflader, der består af ekstraordinære punkter.

Ekstraordinære punkter for usædvanlig følsom detektion

For at forstå betydningen af ​​usædvanlige punkter, overvej en imaginær violin med kun to strenge. Generelt, en sådan violin kan producere bare to forskellige toner - en situation, der svarer til en konventionel optisk resonator. Hvis vibrationen af ​​en streng kan ændre vibrationen i den anden streng på en måde, så lyden og de elastiske svingninger kun skaber en tone og en kollektiv strengbevægelse, systemet har et enestående punkt.

Et fysisk system, der udviser et ekstraordinært punkt, er meget skrøbeligt. Med andre ord, enhver lille forstyrrelse vil dramatisk ændre dens adfærd. Funktionen gør systemet meget følsomt over for små signaler.

"På trods af dette løfte, den samme øgede følsomhed for usædvanlige punktbaserede sensorer er også deres akilleshæl:Disse enheder er meget følsomme over for uundgåelige fabrikationsfejl og uønskede miljøvariationer, "sagde Ramy El-Ganainy, lektor i fysik, tilføjede, at følsomheden nødvendiggjorde smarte tuning -tricks i tidligere eksperimentelle demonstrationer.

"Vores nuværende forslag afhjælper de fleste af disse problemer ved at indføre et nyt system, der har den samme øgede følsomhed rapporteret i tidligere arbejde, mens den samtidig er robust over for størstedelen af ​​den ukontrollerbare eksperimentelle usikkerhed, "sagde Qi Zhong, hovedforfatter på papiret og en kandidatstuderende, der i øjeblikket arbejder hen imod sin doktorgrad ved Michigan Tech.

Selvom designet af mikroringssensorer fortsat er forfinet, forskere håber, at ved at forbedre enhederne, tilsyneladende små optiske observationer vil have store effekter.