Para señales apenas más grandes que el ruido en un sistema, la medición es generalmente un compromiso entre velocidad y precisión. Promediar varias mediciones reduce la influencia del ruido, pero lleva (mucho) tiempo. Eso podría cambiar con un nuevo y revolucionario método de medición, ideado por los investigadores de AMOLF Kevin Peters y Said Rodríguez. Su idea se basa en un resonador óptico no lineal, explica Rodríguez:"En este sensor, la medición más rápida en realidad produce una señal más fuerte". La elaboración teórica de este nuevo método de medición se publica en Physical Review Letters hoy, 27 de junio de 2022. Para una exploración experimental, se buscan colaboraciones con empresas que busquen realizar mediciones rápidas y precisas con luz.

"La física se trata de tomar medidas para recopilar información de un sistema o para reducir la incertidumbre sobre el estado de un sistema. A veces, la precisión es lo más importante. ¿Qué tan seguro está de que algo en el sistema ha cambiado? En otros casos, la velocidad es lo más importante. ¿Qué tan rápido puede recopilar información? En la mayoría de los detectores, la precisión se logra a expensas de la velocidad", dice el líder del grupo AMOLF, Rodríguez. "Considere algo tan simple como mirar una pintura:si solo ve la pintura durante unos segundos, recopilará mucha menos información que cuando la ve durante unos minutos. En otras palabras:cuanto más tiempo medimos, más información que recopilamos y con mayor precisión conocemos el estado del sistema (la pintura)."

Ruido

Al medir señales muy pequeñas, la influencia del ruido también es importante. "Un detector óptico típico, basado en un resonador o una cavidad, da una señal cuando, por ejemplo, una molécula perturba el resonador. Pero esta señal puede ser tan pequeña que apenas supere el ruido del láser. La señal solo puede ser detectado al promediar múltiples mediciones o al usar un tiempo de medición más largo", dice Rodríguez, quien, junto con Ph.D. estudiante Kevin Peters, está buscando formas de reducir la influencia del ruido en la detección con sistemas ópticos.

'Punto excepcional'

Los investigadores encontraron inspiración para su nuevo concepto de medición único en un fenómeno físico exótico que ocurre en sistemas cuánticos abiertos, como resonadores ópticos que miden la presencia de moléculas o virus. “Tales sistemas tienen autovalores complejos que a veces coinciden. En ese caso hablamos de un 'punto excepcional' y la teoría sugiere que las mediciones exactamente en ese punto deberían ser mucho más sensibles”, dice Rodríguez. "Sin embargo, resultó que, si bien las señales se mejoraron en estos 'puntos excepcionales', también lo hizo el ruido. Además, determinar la ubicación exacta del punto excepcional, en el que medir, es una tarea muy complicada y engorrosa".

Los investigadores se dieron cuenta de que también se podía identificar algo similar a los "puntos excepcionales" en las cavidades ópticas no lineales (un tipo de resonador) con las que trabajan. Rodríguez:"Las cavidades no lineales pueden tener histéresis óptica. Cuando aumenta la potencia del láser, la intensidad de la luz en la cavidad aumenta de cierta manera. Pero luego, cuando disminuye la potencia del láser, la intensidad de la luz sale de la cavidad de una manera diferente. Esto da como resultado una histéresis, similar a la magnetización de ciertos materiales cuando se les aplica un campo magnético. Encontramos que la diferencia en la intensidad de la luz entre los puntos donde la histéresis se abre y se cierra, es proporcional a la raíz cuadrada de la perturbación del resonador (por ejemplo, causada por una molécula a medir). La medición de esta 'señal de diferencia' es, por lo tanto, muy sensible a pequeñas perturbaciones. Además, demostramos que con mediciones más rápidas, la influencia del ruido se vuelve más pequeña, al contrario. a lo que sucede en los métodos de medición convencionales".

Viabilidad práctica

Los investigadores realizaron cálculos teóricos para el sensor propuesto, pero también pensaron en la viabilidad práctica. Establecer la frecuencia de modulación correcta para las mediciones con el resonador óptico propuesto es posible fácilmente con el equipo existente. Por lo tanto, a Rodríguez le gustaría colaborar con la industria para explorar más la idea y utilizarla para la detección óptica. "Esta forma de medir es interesante para todo tipo de aplicaciones en las que ya se utilizan sensores ópticos", dice. "Piense en sensores para determinar la posición o el movimiento, para mediciones químicas o para detectar nanopartículas. De hecho, cualquier cosa que ilumine y luego mida lo que sale puede beneficiarse de nuestro enfoque no lineal más sensible". + Explora más

Uso del ruido para mejorar la detección óptica