Para sinais pouco maiores que o ruído em um sistema, a medição geralmente é uma troca entre velocidade e precisão. A média de várias medições reduz a influência do ruído, mas leva (muito) tempo. Isso pode mudar com um novo método de medição revolucionário, desenvolvido pelos pesquisadores da AMOLF Kevin Peters e Said Rodriguez. A ideia deles é baseada em um ressonador óptico não linear, explica Rodriguez:“Neste sensor, uma medição mais rápida produz um sinal mais forte”. A elaboração teórica deste novo método de medição está publicada em Physical Review Letters hoje, 27 de junho de 2022. Para uma exploração experimental, estão sendo buscadas colaborações com empresas que buscam fazer medições rápidas e precisas com luz.
"Física é fazer medições para coletar informações de um sistema ou reduzir a incerteza sobre o estado de um sistema. Às vezes, a precisão é mais importante - você tem certeza de que algo no sistema mudou? Em outros casos, a velocidade é mais importante - com que rapidez você pode coletar informações? Na maioria dos detectores, a precisão vem à custa da velocidade", diz Rodriguez, líder do grupo AMOLF. "Considere algo tão simples como olhar para uma pintura:se você vê a pintura apenas por alguns segundos, você reunirá muito menos informações do que quando você a vê por alguns minutos. Em outras palavras:quanto mais medimos, mais informações que coletamos e mais precisamente conhecemos o estado do sistema (a pintura)."

Ruído

Ao medir sinais muito pequenos, a influência do ruído também é importante. "Um detector óptico típico, baseado em um ressonador ou cavidade, emite um sinal quando, por exemplo, uma molécula perturba o ressonador. Mas esse sinal pode ser tão pequeno que mal ultrapassa o ruído do laser. O sinal só pode ser detectado pela média de várias medições ou usando um tempo de medição mais longo", diz Rodriguez, que, juntamente com Ph.D. estudante Kevin Peters, está procurando maneiras de reduzir a influência do ruído na detecção com sistemas ópticos.

'Ponto excepcional'

Os pesquisadores encontraram inspiração para seu novo conceito único de medição em um fenômeno físico exótico que ocorre em sistemas quânticos abertos, como ressonadores ópticos que medem a presença de moléculas ou vírus. "Tais sistemas têm autovalores complexos que às vezes coincidem. Nesse caso, falamos de um 'ponto excepcional' e a teoria sugere que as medições exatamente nesse ponto devem ser muito mais sensíveis", diz Rodriguez. "No entanto, descobriu-se que, embora os sinais fossem realmente aprimorados nesses 'pontos excepcionais', o ruído também era. Além disso, determinar a localização exata do ponto excepcional, no qual medir, é uma tarefa muito complicada e complicada."

Os pesquisadores perceberam que algo semelhante aos "pontos excepcionais" também poderia ser identificado nas cavidades ópticas não lineares (um tipo de ressonador) com as quais trabalham. Rodriguez:"Cavidades não lineares podem ter histerese óptica. Quando você aumenta a potência do laser, a intensidade da luz na cavidade aumenta de uma certa maneira. Mas então, quando você diminui a potência do laser, a intensidade da luz deixa a cavidade de uma maneira diferente. Isso resulta em histerese, semelhante à magnetização de certos materiais quando um campo magnético é aplicado a eles. Descobrimos que a diferença na intensidade da luz entre os pontos onde a histerese abre e fecha, é proporcional à raiz quadrada da perturbação do ressonador (por exemplo, causada por uma molécula a ser medida). A medição deste 'sinal de diferença' é, portanto, muito sensível a pequenas perturbações. Além disso, mostramos que com medições mais rápidas, a influência do ruído se torna menor, ao contrário ao que acontece nos métodos de medição convencionais."

Viabilidade prática

Os pesquisadores fizeram cálculos teóricos para o sensor proposto, mas também pensaram na viabilidade prática. Definir a frequência de modulação correta para medições com o ressonador óptico proposto é facilmente possível com os equipamentos existentes. Portanto, Rodriguez gostaria de colaborar com a indústria para explorar mais a ideia e usá-la para sensoriamento óptico. "Essa forma de medição é interessante para todos os tipos de aplicações onde já existem sensores ópticos em uso", afirma. "Pense em sensores para determinação de posição ou movimento, para medições químicas ou para detectar nanopartículas. Na verdade, qualquer coisa que você ilumine e depois meça o que sai pode se beneficiar de nossa abordagem não linear mais sensível." + Explorar mais

Uso de ruído para aprimorar a detecção óptica