Innovativ sensorplatform låser op for ultrahøj følsomhed i konventionelle sensorer

Optiske sensorer tjener som rygraden i adskillige videnskabelige og teknologiske bestræbelser, lige fra detektering af gravitationsbølger til billeddannelse af biologisk væv til medicinsk diagnostik. Disse sensorer bruger lys til at registrere ændringer i egenskaberne af det miljø, de overvåger, herunder kemiske biomarkører og fysiske egenskaber som temperatur. En vedvarende udfordring inden for optisk registrering har været at forbedre følsomheden til at detektere svage signaler under støj.

Ny forskning fra Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner-professoren i Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering på McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, låser op for kraften i exceptionelle punkter (EP'er) ) til avanceret optisk registrering. I en undersøgelse offentliggjort 5. april i Science Advances , Yang og førsteforfatter Wenbo Mao, en ph.d.-studerende i Yangs laboratorium, viste, at disse unikke EP'er – specifikke forhold i systemer, hvor ekstraordinære optiske fænomener kan forekomme – kan anvendes på konventionelle sensorer for at opnå en slående følsomhed over for miljøforstyrrelser.

Yang og Mao udviklede en EP-forbedret sensorplatform, der overvinder begrænsningerne ved tidligere tilgange. I modsætning til traditionelle metoder, der kræver modifikationer af selve sensoren, har deres innovative system en EP-kontrolenhed, der kan tilsluttes fysisk adskilte eksterne sensorer. Denne konfiguration gør det muligt at tune EP'er udelukkende gennem justeringer af kontrolenheden, hvilket giver mulighed for ultrahøj følsomhed uden behov for komplekse modifikationer af sensoren.

"Vi har implementeret en ny platform, der kan give EP-forbedring til konventionelle optiske sensorer," sagde Yang. "Dette system repræsenterer en revolutionerende udvidelse af EP-forbedret sensing, hvilket markant udvider dets anvendelighed og universalitet. Enhver fasefølsom sensor kan opnå forbedret følsomhed og reduceret detektionsgrænse ved at forbinde til denne konfiguration. Blot ved at tune kontrolenheden kan denne EP-konfiguration tilpasse sig forskellige sensorscenarier, såsom miljødetektion, sundhedsovervågning og biomedicinsk billeddannelse."

Ved at afkoble sansnings- og kontrolfunktionerne har Yang og Mao effektivt omgået de strenge fysiske krav til betjening af sensorer hos EP'er, som hidtil har hindret deres udbredte anvendelse. Dette baner vejen for, at EP-forbedring kan anvendes på en bred vifte af konventionelle sensorer – inklusive ringresonatorer, termiske og magnetiske sensorer og sensorer, der opfanger vibrationer eller registrerer forstyrrelser i biomarkører – hvilket i høj grad forbedrer detektionsgrænsen for sensorer, som forskere allerede bruger. . Med kontrolenheden indstillet til en EP, kan sensoren fungere anderledes – ikke på en EP – og stadig høste fordelene ved EP-forbedringer.

Som et proof-of-concept testede Yangs team et systems detektionsgrænse eller evne til at detektere svage forstyrrelser over systemstøj. De demonstrerede en seksdobling af detektionsgrænsen for en sensor ved hjælp af deres EP-forbedrede konfiguration sammenlignet med den konventionelle sensor.

"Med dette arbejde har vi vist, at vi markant kan forbedre vores evne til at opdage forstyrrelser, der har svage signaler," sagde Mao. "Vi er nu fokuseret på at bringe den teori til brede anvendelser. Jeg er specifikt fokuseret på medicinske anvendelser, især arbejder for at forbedre magnetisk sensing, som kunne bruges til at forbedre MR-teknologi. I øjeblikket kræver MR'er et helt rum med omhyggelig temperaturkontrol Vores EP-platform kunne bruges til at forbedre magnetisk sensing for at muliggøre bærbar MR-scanning ved sengen."

Flere oplysninger: Wenbo Mao et al., Exceptional-point-enhanced phase sensing, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl5037

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Washington University i St. Louis