Ajustar el diseño de los sensores de microring mejora su sensibilidad sin agregar más complejidad a la implementación.

La detección óptica es una de las aplicaciones más importantes de la ciencia de la luz. Desempeña un papel crucial en la astronomía, ciencia medioambiental, industria y diagnósticos médicos.

A pesar de la variedad de esquemas utilizados para la detección óptica, todos comparten el mismo principio:la cantidad a medir debe dejar una "huella digital" en la respuesta óptica del sistema. La huella dactilar puede ser su transmisión, reflexión o absorción. Cuanto más fuertes sean estos efectos, cuanto más fuerte sea la respuesta del sistema.

Si bien esto funciona bien a nivel macroscópico, midiendo minúsculo, cantidades microscópicas que inducen una respuesta débil es una tarea desafiante. Los investigadores han desarrollado técnicas para superar esta dificultad y mejorar la sensibilidad de sus dispositivos. Algunas de estas técnicas, que se basan en complejos conceptos e implementaciones de óptica cuántica, de hecho han demostrado ser útiles, como en la detección de ondas gravitacionales en el proyecto LIGO. Otros, que se basan en atrapar la luz en pequeñas cajas llamadas resonadores ópticos, han logrado detectar micropartículas y componentes biológicos relativamente grandes.

Sin embargo, la capacidad de detectar pequeñas nanopartículas y eventualmente moléculas individuales sigue siendo un desafío. Los intentos actuales se centran en un tipo especial de dispositivos de captura de luz llamados microring o resonadores de microtoroides, que mejoran la interacción entre la luz y la molécula que se va a detectar. La sensibilidad de estos dispositivos, sin embargo, está limitado por su física fundamental.

En su artículo "Detección con superficies excepcionales para combinar sensibilidad con robustez" publicado en Cartas de revisión física , físicos e ingenieros de la Universidad Tecnológica de Michigan, La Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Florida Central proponen un nuevo tipo de sensor. Se basan en la nueva noción de superficies excepcionales:superficies que consisten en puntos excepcionales.

Puntos excepcionales para una detección excepcionalmente sensible

Para comprender el significado de puntos excepcionales, considere un violín imaginario con solo dos cuerdas. En general, tal violín puede producir sólo dos tonos diferentes, una situación que corresponde a un resonador óptico convencional. Si la vibración de una cuerda puede alterar la vibración de la otra cuerda de tal manera que el sonido y las oscilaciones elásticas crean un solo tono y un movimiento colectivo de la cuerda, el sistema tiene un punto excepcional.

Un sistema físico que exhibe un punto excepcional es muy frágil. En otras palabras, cualquier pequeña perturbación alterará drásticamente su comportamiento. La característica hace que el sistema sea muy sensible a señales diminutas.

"A pesar de esta promesa, la misma sensibilidad mejorada de los sensores excepcionales basados ​​en puntos es también su talón de Aquiles:estos dispositivos son muy sensibles a errores de fabricación inevitables y variaciones ambientales no deseadas, "dijo Ramy El-Ganainy, profesor asociado de física, agregando que la sensibilidad requirió trucos de afinación inteligentes en demostraciones experimentales previas.

"Nuestra propuesta actual alivia la mayoría de estos problemas al introducir un nuevo sistema que tiene la misma sensibilidad mejorada que se informó en trabajos anteriores, mientras que al mismo tiempo es robusto contra la mayoría de la incontrolable incertidumbre experimental, "dijo Qi Zhong, autor principal del artículo y un estudiante de posgrado que actualmente está trabajando para obtener su doctorado en Michigan Tech.

Aunque el diseño de los sensores microring sigue perfeccionándose, Los investigadores tienen la esperanza de que, al mejorar los dispositivos, Las observaciones ópticas aparentemente diminutas tendrán grandes efectos.