Optiska sensorer fungerar som ryggraden i många vetenskapliga och tekniska ansträngningar, från att detektera gravitationsvågor till att avbilda biologiska vävnader för medicinsk diagnostik. Dessa sensorer använder ljus för att upptäcka förändringar i egenskaperna hos miljön de övervakar, inklusive kemiska biomarkörer och fysikaliska egenskaper som temperatur. En ihållande utmaning inom optisk avkänning har varit att förbättra känsligheten för att upptäcka svaga signaler bland brus.
Ny forskning från Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner-professorn vid Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, låser upp kraften i exceptionella poäng (EPs) ) för avancerad optisk avkänning. I en studie publicerad 5 april i Science Advances , Yang och första författaren Wenbo Mao, en doktorand i Yangs labb, visade att dessa unika EP:er – specifika förhållanden i system där extraordinära optiska fenomen kan inträffa – kan användas på konventionella sensorer för att uppnå en slående känslighet för miljöstörningar.
Yang och Mao utvecklade en EP-förbättrad avkänningsplattform som övervinner begränsningarna med tidigare tillvägagångssätt. Till skillnad från traditionella metoder som kräver modifieringar av själva sensorn, har deras innovativa system en EP-styrenhet som kan anslutas till fysiskt separerade externa sensorer. Denna konfiguration gör att EP:er kan ställas in enbart genom justeringar av kontrollenheten, vilket möjliggör ultrahög känslighet utan behov av komplexa modifieringar av sensorn.
"Vi har implementerat en ny plattform som kan ge EP-förbättringar till konventionella optiska sensorer," sa Yang. "Detta system representerar en revolutionerande förlängning av EP-förbättrad avkänning, vilket avsevärt utökar dess tillämpbarhet och universalitet. Alla faskänsliga sensorer kan få förbättrad känslighet och minskad detektionsgräns genom att ansluta till denna konfiguration. Genom att helt enkelt justera styrenheten kan denna EP-konfiguration anpassa sig till olika avkänningsscenarier, såsom miljödetektering, hälsoövervakning och biomedicinsk avbildning."
Genom att koppla bort avkännings- och kontrollfunktionerna har Yang och Mao effektivt överskridit de stränga fysiska kraven för drift av sensorer hos EP:er som hittills har hindrat deras utbredda användning. Detta banar vägen för EP-förbättring att tillämpas på ett brett spektrum av konventionella sensorer – inklusive ringresonatorer, termiska och magnetiska sensorer och sensorer som tar upp vibrationer eller upptäcker störningar i biomarkörer – vilket avsevärt förbättrar detektionsgränsen för sensorer som forskare redan använder . Med kontrollenheten inställd på en EP kan sensorn fungera annorlunda – inte vid en EP – och ändå dra nytta av EP-förbättringen.
Som ett bevis på konceptet testade Yangs team ett systems detektionsgräns, eller förmåga att upptäcka svaga störningar över systembrus. De visade en sexfaldig minskning av detektionsgränsen för en sensor med deras EP-förbättrade konfiguration jämfört med den konventionella sensorn.
"Med detta arbete har vi visat att vi avsevärt kan förbättra vår förmåga att upptäcka störningar som har svaga signaler," sa Mao. "Vi är nu fokuserade på att föra den teorin till breda tillämpningar. Jag är specifikt inriktad på medicinska tillämpningar, särskilt att arbeta för att förbättra magnetisk avkänning, som kan användas för att förbättra MRT-tekniken. För närvarande kräver MRI ett helt rum med noggrann temperaturkontroll . Vår EP-plattform kan användas för att förbättra magnetisk avkänning för att möjliggöra bärbar, sängkants-MRI."
Mer information: Wenbo Mao et al, Exceptional–punktförstärkt fasavkänning, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl5037
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Washington University i St. Louis
