Man har länge trott att tvås sällskap och tre är en folkmassa. Men elektriker och systemingenjörer vid Washington University i St. Louis och deras medarbetare har visat att tillägget av en tredje nanoskatter, som kompletterar två "tuning" nanoscatterers, till en fotonikresonator ger en fascinerande fysikfest.

Specifikt, de två tuning nanoscatterers sätter resonatorn på en "exceptionell punkt, " ett speciellt tillstånd i ett system där ovanliga fenomen kan inträffa. Den tredje nanoscatteraren stör systemet, och som en otäck lekplatsbulle, ju mindre det är, desto mer respons får den.

Washington University -teamet, ledd av Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner professor i el- och systemteknik, har gjort stora framsteg nyligen i studier och manipulation av ljus. Teamets senaste upptäckt av mikroresonatorernas avkänningsförmåga kan ha inverkan på skapandet av biomedicinska enheter, elektronik och enheter för detektering av biologiska faror.

"Det är utmanande att upptäcka nanoskalaobjekt, som nanopartiklar, "Sa Yang." Om föremålet är väldigt litet, det introducerar lite störningar i ett avkänningssystem. Vi använder en ovanlig topologisk funktion i samband med exceptionella punkter i ett fysiskt system för att förbättra reaktionen hos en optisk sensor på mycket små störningar, som de som introduceras av objekt i nanoskala. Skönheten i den exceptionella punktsensorn är ju mindre störningen, desto större förbättring jämfört med en konventionell sensor."

Yangs sensorsystem tillhör en kategori som kallas whispering gallery mode (WGM) resonatorer, som fungerar som det berömda viskande galleriet i St. Paul's Cathedral i London, där någon på ena sidan av kupolen kan höra ett meddelande som talas till väggen av någon på andra sidan. Till skillnad från kupolen, som har resonanser eller söta fläckar i det hörbara området, sensorn resonerar vid ljusfrekvenser.

"Den så kallade" exceptionella punkten "ger en viskande gallerisensor med exceptionell prestanda för att detektera nanoskalaobjekt, överträffar den för konventionella viskande gallerisensorer, " sa Weijian Chen, en doktorand inom elektroteknik i Yangs laboratorium. "Slående, ju mindre målobjektet är, desto bättre prestanda blir vår nya sensor."

Yangs WGM har två kompletterande kiselspridare, eller nanotips, som sitter på toroid, eller munkformad tråd, avenyn för miljontals ljuspaket som kallas fotoner att korsa. Dessa enheter ställer in olika parametrar i systemet för att påverka funktionen. Med hjälp av nanopositioneringssystem, forskarna kan flytta spridarna och öka storleken och till och med införa ett annat medium - en viruspartikel, till exempel - in i fältet för att störa fältet och locka till en exceptionell punkt.

I teamets senaste experiment, de två "tuning" nanoskatterna ger resonatorn till exceptionella punkter; den tredje partikeln stör systemet från dess exceptionella punkter och leder till en frekvensdelning. På grund av den mycket komplexa kvadratrotopologin nära en exceptionell punkt, frekvensuppdelningen, som är avkänningssignalen, representeras matematiskt som kvadratroten av störningsstyrkan. Det är betydligt större än vad som finns i traditionella, icke-exceptionella punktavkänningssystem med mycket små störningar.

Yang och hennes grupp utforskar användningen av den exceptionella punkten i fotoakustiska bildstudier och andra scenarier där de söker utveckling av "okonventionella lätta transportsätt, ' Hon sa. "Det borde finnas många applikationer som följer av det."