Agregar ruido para mejorar una señal débil es un fenómeno de detección común en el mundo animal, pero inusual en los sensores artificiales. Ahora, los investigadores de Penn State han agregado una pequeña cantidad de ruido de fondo para mejorar las señales muy débiles en una fuente de luz demasiado tenue para detectar.

A diferencia de la mayoría de los sensores, para los que el ruido es un problema que debe suprimirse, descubrieron que agregar la cantidad justa de ruido de fondo en realidad puede aumentar una señal demasiado débil para ser detectada por sensores normales, a un nivel que pueda alcanzar la detectabilidad.

Aunque su sensor, basado en un material bidimensional llamado disulfuro de molibdeno, detecta la luz, el mismo principio se puede utilizar para detectar otras señales, y debido a que requiere muy poca energía y espacio en comparación con los sensores convencionales, podría encontrar una amplia adaptación en la próxima Internet de las cosas (IoT). IoT desplegará decenas de millones de sensores para monitorear las condiciones en el hogar y las fábricas, y los bajos requisitos de energía serían una gran ventaja.

"Este fenómeno es algo que se ve con frecuencia en la naturaleza, "dice Saptarshi Das, un profesor asistente de ciencias de la ingeniería y mecánica. "Por ejemplo, un pez espátula que vive en aguas fangosas no puede encontrar su alimento, que es un fitoplancton llamado Daphnia, por la vista. El pez espátula tiene electrorreceptores que pueden captar señales eléctricas muy débiles de Daphnia hasta 50 metros. Si agrega un poco de ruido, puede encontrar la Daphnia a 75 metros o incluso a 100 metros. Esta capacidad se suma al éxito evolutivo de este animal ".

Otro ejemplo interesante es el escarabajo joya, que puede detectar un incendio forestal a 50 millas de distancia. El detector de infrarrojos más avanzado solo puede detectar entre 10 y 20 millas. Esto se debe a un fenómeno que utilizan estos animales llamado resonancia estocástica.

"La resonancia estocástica es un fenómeno en el que una señal débil que está por debajo del umbral de detección de un sensor puede detectarse en presencia de una cantidad finita y apropiada de ruido, "según Akhil Dodda, estudiante de posgrado en ciencias de la ingeniería y mecánica y co-primer autor de un nuevo artículo que aparece esta semana en Comunicaciones de la naturaleza .

En su papel los investigadores demuestran el primer uso de esta técnica para detectar una señal fotónica subumbral.

Un posible uso que se está considerando es el de tropas en combate. El personal del ejército en el campo ya lleva equipo muy voluminoso. Es inviable agregar el pesado, equipos que consumen mucha energía necesarios para mejorar una señal de subumbral. Su técnica también es aplicable en entornos con recursos limitados o debajo del océano donde la gente quiere monitorear señales muy débiles. También podría usarse en ubicaciones volcánicas o para monitorear terremotos a tiempo para dar una alarma.

"¿Quién hubiera pensado que el ruido podría desempeñar un papel constructivo en la detección de señales? Hemos desafiado la tradición de detectar señales que de otro modo serían indetectables con un consumo de energía minúsculo. Esto puede abrir las puertas a un campo totalmente inexplorado e ignorado de detección de señales mejoradas por ruido, "dijo Aaryan Oberoi, estudiante de posgrado del Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica y coautor del artículo.

Su siguiente paso es demostrar esta técnica en un fotodiodo de silicio, lo que haría que el dispositivo fuera muy escalable. Cualquier sensor de última generación puede mejorarse con este concepto, Das dice.