È stato a lungo pensato che la compagnia di due e tre sia una folla. Ma gli ingegneri elettrici e di sistema della Washington University di St. Louis e i loro collaboratori hanno dimostrato che l'aggiunta di un terzo nanoscatterer, a complemento di due nanoscatterer "sintonizzati", a un risonatore fotonico è un'affascinante festa della fisica.

Nello specifico, i due nanoscatterer accordatori impostano il risonatore in un "punto eccezionale, " uno stato speciale di un sistema in cui possono verificarsi fenomeni insoliti. Il terzo nanoscatterer perturba il sistema, e come un brutto bullo da cortile, più è piccolo, più risposta ottiene.

Il team dell'Università di Washington, guidato da Lan Yang, l'Edwin H. &Florence G. Skinner Professore di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, ha fatto di recente grandi passi avanti nello studio e nella manipolazione della luce. La scoperta più recente del team della capacità di rilevamento dei microrisonatori potrebbe avere un impatto nella creazione di dispositivi biomedici, dispositivi elettronici e di rilevamento del rischio biologico.

"È difficile rilevare oggetti su scala nanometrica, come le nanoparticelle, " disse Yang. "Se l'oggetto è molto piccolo, introduce poche perturbazioni a un sistema di rilevamento. Utilizziamo una caratteristica topologica insolita associata a punti eccezionali di un sistema fisico per migliorare la risposta di un sensore ottico a perturbazioni molto piccole, come quelli introdotti da oggetti su scala nanometrica. La bellezza dell'eccezionale sensore puntiforme è la minore perturbazione, maggiore è il miglioramento rispetto a un sensore convenzionale."

Il sistema di sensori di Yang appartiene a una categoria chiamata risuonatori sussurrante in modalità galleria (WGM), che funzionano come la famosa galleria dei sussurri nella cattedrale di St. Paul a Londra, dove qualcuno su un lato della cupola può ascoltare un messaggio pronunciato al muro da qualcuno dall'altra parte. A differenza della cupola, che ha risonanze o punti dolci nella gamma udibile, il sensore risuona alle frequenze luminose.

"Il cosiddetto "punto eccezionale" conferisce a un sensore della galleria dei sussurri prestazioni eccezionali per il rilevamento di oggetti su scala nanometrica, superando quello dei sensori convenzionali della galleria dei sussurri, " disse Weijian Chen, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica nel laboratorio di Yang. "Sorprendentemente, più piccolo è l'oggetto target, migliori saranno le prestazioni del nostro nuovo sensore."

Il WGM di Yang è dotato di due diffusori di silice complementari, o nanopunte, che si imposta sul toroide, o filo a forma di ciambella, la strada che milioni di pacchetti di luce chiamati fotoni devono attraversare. Questi dispositivi sintonizzano vari parametri nel sistema per influenzare la funzione. Utilizzando sistemi di nanoposizionamento, i ricercatori possono spostare i diffusori e aumentare le dimensioni e persino introdurre un altro mezzo:una particella virale, per esempio, nel campo per perturbare il campo e richiamare un punto eccezionale.

Negli esperimenti più recenti del team, i due nanoscatterer "tuning" portano il risonatore a punti eccezionali; la terza particella perturba il sistema dai suoi punti eccezionali e porta ad una scissione di frequenza. A causa della topologia a radice quadrata molto complessa vicino a un punto eccezionale, la divisione di frequenza, che è il segnale di rilevamento, è rappresentato matematicamente come la radice quadrata della forza di perturbazione. È significativamente più grande di quello che si trova nei tradizionali, schemi di rilevamento dei punti non eccezionali che utilizzano perturbazioni molto piccole.

Yang e il suo gruppo stanno esplorando l'uso del punto eccezionale negli studi di imaging fotoacustico e in altri scenari in cui cercano lo sviluppo di "modalità di trasporto della luce non convenzionali, ' lei disse. "Ci dovrebbero essere molte applicazioni derivanti da questo."