Изменения в микропроцессорных датчиках повышают их чувствительность, не усложняя конструкцию.

Оптическое зондирование —  одно из важнейших прикладных направлений науки о свете.  Оно играет решающую роль в астрономии, промышленности и медицинской диагностике.

Несмотря на разнообразие схем, применяемых в оптическом зондировании, все они используют один и тот же принцип: измеряемая величина должна оставлять «отпечаток», добиваясь отклика оптической системы. Отпечаток пальца, например, может быть считан за счет отражения или поглощения света. Чем сильнее эти явления, тем сильнее отклик системы.

Хоть это и хорошо работает на макроскопическом уровне, измерение крошечных микроскопических величин, вызывающих слабый отклик — сложная задача. Исследователи разработали методы, которые позволят эту проблему и улучшить чувствительность своих устройств. Некоторые из этих методов, опирающиеся на сложные концепции квантовой оптики, действительно оказались полезными, например, для измерения гравитационных волн в проекте LIGO. Другие, основывающиеся на захвате света в крошечных коробочках, называемых оптическими резонаторами, позволили обнаружить микрочастицы и относительно крупные биологические компоненты.

Тем не менее, способность обнаруживать мелкие частицы и, в конечном итоге, отдельные молекулы, остается проблемой. Текущие попытки сфокусированы на специальном типе устройств захвата света, которые называются микрорезонаторами или микроторовыми резонаторами — они улучшают взаимодействие между светом и молекулой, подлежащей обнаружению. Чувствительность этих устройств, однако, ограничена фундаментальной физикой.

В своей статье физики и инженеры из Мичиганского технологического университета, Университета штата Пенсильвания и Университета Центральной Флориды предлагают новый тип датчика. Он базируется на новом понятии особых поверхностей: поверхностей, которые состоят из особых точек.

Чтобы понять, что это за особые точки, представьте себе скрипку с двумя струнами. Такая скрипка может воспроизводить только два разных тона — ситуация, которая соответствует обычному оптическому резонатору. Если вибрация одной струны может изменить вибрацию другой струны таким образом, что звук и упругие колебания создают только один тон и одно общее движение струны, система формирует особую точку.

Физическая система, которая демонстрирует особую точку, очень хрупка. Другими словами, любое небольшое возмущение резко изменит ее поведение. Это делает систему крайне чувствительной к микросигналам.

«Несмотря на данное свойство, такая повышенная восприимчивость датчиков также является их ахиллесовой пятой: эти устройства очень чувствительны к неизбежным ошибкам изготовления и нежелательным изменениям окружающей среды», — пояснил Рами эль-Ганаини, доцент физики, добавив, что в предыдущих экспериментальных демонстрациях устройство требовало хитрых настроек.

«То, что мы предлагаем, упростит эту задачу путем введения новой системы, которая обладает такой же повышенной чувствительностью, о которой сообщалось в предыдущей работе, и в то же время устойчивой к большинству неустранимых экспериментальных неопределенностей», — сказал Ци Чжун, ведущий автор статьи, и аспирант, который в настоящее время работает над докторской степенью в Мичиганском техническом институте.

Хотя конструкция микропроцессорных датчиков продолжает совершенствоваться, исследователи надеются, что, если такое незначительное улучшение современных устройств даст большой результат, и микромир откроется перед нами в новом свете.

Источник:  Q. Zhong et al. Sensing with Exceptional Surfaces in Order to Combine Sensitivity with Robustness, Physical Review Letters(2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.153902

Оставьте комментарий:

Ваш e-mail не будет опубликован.