Ajustar o design dos sensores de microring aumenta sua sensibilidade sem adicionar mais complexidade de implementação.

O sensoriamento óptico é uma das aplicações mais importantes da ciência da luz. Ele desempenha um papel crucial na astronomia, Ciência ambiental, indústria e diagnósticos médicos.

Apesar da variedade de esquemas usados ​​para detecção óptica, todos eles compartilham o mesmo princípio:a quantidade a ser medida deve deixar uma "impressão digital" na resposta óptica do sistema. A impressão digital pode ser sua transmissão, reflexão ou absorção. Quanto mais fortes forem esses efeitos, mais forte será a resposta do sistema.

Embora funcione bem no nível macroscópico, medindo minúsculo, quantidades microscópicas que induzem resposta fraca é uma tarefa desafiadora. Os pesquisadores desenvolveram técnicas para superar essa dificuldade e melhorar a sensibilidade de seus dispositivos. Algumas dessas técnicas, que dependem de complexos conceitos e implementações de óptica quântica, realmente provaram ser úteis, como na detecção de ondas gravitacionais no projeto LIGO. Outros, que se baseiam na captura de luz em pequenas caixas chamadas ressonadores ópticos, conseguiram detectar micropartículas e componentes biológicos relativamente grandes.

Apesar disso, a capacidade de detectar pequenas nanopartículas e, eventualmente, moléculas únicas continua a ser um desafio. As tentativas atuais se concentram em um tipo especial de dispositivos de captura de luz chamados microring ou ressonadores microtoroid - estes aumentam a interação entre a luz e a molécula a ser detectada. A sensibilidade desses dispositivos, Contudo, é limitado por sua física fundamental.

Em seu artigo "Sensing with Exceptional Surfaces to Combine Sensitivity with Robustness" publicado em Cartas de revisão física , físicos e engenheiros da Michigan Technological University, A Pennsylvania State University e a University of Central Florida propõem um novo tipo de sensor. Eles são baseados na nova noção de superfícies excepcionais:superfícies que consistem em pontos excepcionais.

Pontos excepcionais para detecção excepcionalmente sensível

Para entender o significado dos pontos excepcionais, considere um violino imaginário com apenas duas cordas. Em geral, tal violino pode produzir apenas dois tons diferentes - uma situação que corresponde a um ressonador óptico convencional. Se a vibração de uma corda pode alterar a vibração da outra corda de forma que o som e as oscilações elásticas criem apenas um tom e um movimento coletivo da corda, o sistema tem um ponto excepcional.

Um sistema físico que exibe um ponto excepcional é muito frágil. Em outras palavras, qualquer pequena perturbação alterará dramaticamente seu comportamento. O recurso torna o sistema altamente sensível a pequenos sinais.

"Apesar desta promessa, a mesma sensibilidade aprimorada de sensores baseados em pontos excepcionais também é seu calcanhar de Aquiles:Esses dispositivos são muito sensíveis a erros de fabricação inevitáveis ​​e variações ambientais indesejadas, "disse Ramy El-Ganainy, professor associado de física, acrescentando que a sensibilidade exigia truques de ajuste inteligentes em demonstrações experimentais anteriores.

"Nossa proposta atual alivia a maioria desses problemas, introduzindo um novo sistema que tem a mesma sensibilidade aprimorada relatada em trabalhos anteriores, embora ao mesmo tempo robusto contra a maioria da incerteza experimental incontrolável, "disse Qi Zhong, autor principal do artigo e um estudante de graduação que atualmente está fazendo seu doutorado na Michigan Tech.

Embora o design dos sensores de microring continue a ser refinado, pesquisadores estão esperançosos de que, ao melhorar os dispositivos, observações ópticas aparentemente minúsculas terão grandes efeitos.