I microsensori wireless hanno consentito nuovi modi per monitorare il nostro ambiente consentendo agli utenti di misurare spazi precedentemente vietati alla ricerca, come aree tossiche, componenti del veicolo, o aree remote del corpo umano. Ricercatori, però, sono stati ostacolati da miglioramenti limitati nella qualità dei dati e nella sensibilità di questi dispositivi derivanti dalle sfide associate agli ambienti in cui operano e dalla necessità di sensori con impronte estremamente ridotte.

Un nuovo articolo pubblicato oggi in Elettronica della natura dai ricercatori dell'Advanced Science Research Center (ASRC) del Graduate Center della City University di New York, Wayne State University, e Università tecnologica del Michigan, spiega come nuovi dispositivi con capacità ben oltre quelle dei sensori convenzionali possono essere costruiti prendendo in prestito concetti dalla meccanica quantistica.

Il gruppo, guidato da Andrea Alù, direttore della Photonics Initiative dell'ASRC e professore di fisica di Einstein presso il Graduate Center, e Pai-Yen Chen, professore alla Wayne State University, ha sviluppato una nuova tecnica per la progettazione di microsensori che consente una sensibilità notevolmente migliorata e un ingombro molto ridotto. Il loro metodo prevede l'uso della scala isospettrale parità-tempo-reciproco, o simmetria PTX, progettare i circuiti elettronici. Un 'lettore' è accoppiato con un microsensore passivo che soddisfa questa simmetria PTX. La coppia ottiene letture in radiofrequenza altamente sensibili.

"Nella spinta a miniaturizzare i sensori per migliorare la loro risoluzione e abilitare reti su larga scala di dispositivi di rilevamento, è fondamentale migliorare la sensibilità dei microsensori, " Ha detto Alù. "Il nostro approccio risponde a questa esigenza introducendo una condizione di simmetria generalizzata che consente letture di alta qualità in un ingombro miniaturizzato".

Il lavoro si basa sui recenti progressi nel campo della meccanica quantistica e dell'ottica, che hanno dimostrato che i sistemi simmetrici per inversione spazio-temporale, o parity-time (PT) simmetrica, può offrire vantaggi per la progettazione del sensore. L'articolo generalizza questa proprietà a una classe più ampia di dispositivi che soddisfano una forma più generale di simmetria:la simmetria PTX. Questo tipo di simmetria, è particolarmente indicato per mantenere alta la sensibilità, riducendo drasticamente l'ingombro.

I ricercatori sono stati in grado di mostrare questo fenomeno in un sistema di sensori telemetrici basato su un circuito elettronico a radiofrequenza, che ha mostrato una risoluzione e una sensibilità drasticamente migliorate rispetto ai sensori convenzionali. I sensori di pressione wireless basati su microelettromeccanica (MEMS) condividono i vantaggi di sensibilità dei precedenti dispositivi PT-simmetrici, ma soprattutto la condizione di simmetria generalizzata consente sia la miniaturizzazione del dispositivo sia una realizzazione efficiente alle basse frequenze all'interno di un circuito elettronico compatto.

Questo nuovo approccio può consentire ai ricercatori di superare le attuali sfide nella distribuzione di reti onnipresenti di lunga durata, microsensori discreti per monitorare grandi aree. Nell'era dell'internet delle cose e dei big data, tali reti sono utili per la salute wireless, città intelligenti, e sistemi cyber-fisici che raccolgono e immagazzinano dinamicamente grandi quantità di informazioni per eventuali analisi.

"Lo sviluppo di microsensori wireless ad alta sensibilità è una delle principali sfide per gli usi pratici nei bioimpianti, elettronica indossabile, Internet delle cose, e sistemi cyber-fisici, " Ha detto Chen. "Mentre ci sono stati continui progressi nei sensori in miniatura microlavorati, le basi della tecnica di lettura telemetrica rimangono sostanzialmente invariate dalla sua invenzione. Questo nuovo approccio alla telemetria renderà possibile l'obiettivo a lungo cercato di rilevare con successo minuscole azioni fisiche o chimiche da microsensori senza contatto".