La modifica del design dei sensori a microanello migliora la loro sensibilità senza aggiungere ulteriore complessità di implementazione.

Il rilevamento ottico è una delle applicazioni più importanti della scienza della luce. Svolge un ruolo cruciale in astronomia, scienza ambientale, industria e diagnosi mediche.

Nonostante la varietà di schemi utilizzati per il rilevamento ottico, condividono tutti lo stesso principio:la grandezza da misurare deve lasciare una "impronta digitale" sulla risposta ottica del sistema. L'impronta digitale può essere la sua trasmissione, riflessione o assorbimento. Più forti sono questi effetti, più forte è la risposta del sistema.

Mentre questo funziona bene a livello macroscopico, misurando minuscolo, quantità microscopiche che inducono una risposta debole è un compito impegnativo. I ricercatori hanno sviluppato tecniche per superare questa difficoltà e migliorare la sensibilità dei loro dispositivi. Alcune di queste tecniche, che si basano su complessi concetti e implementazioni di ottica quantistica, si sono infatti rivelati utili, come nel rilevamento delle onde gravitazionali nel progetto LIGO. Altri, che si basano sull'intrappolamento della luce in minuscole scatole chiamate risonatori ottici, sono riusciti a rilevare microparticelle e componenti biologici relativamente grandi.

Ciò nonostante, la capacità di rilevare piccole nanoparticelle ed eventualmente singole molecole rimane una sfida. I tentativi attuali si concentrano su un tipo speciale di dispositivi di cattura della luce chiamati microring o risonatori microtoroidali, che migliorano l'interazione tra la luce e la molecola da rilevare. La sensibilità di questi dispositivi, però, è limitato dalla loro fisica fondamentale.

Nel loro articolo "Sensing with Exceptional Surfaces in Order to Combine Sensitivity with Robustness" pubblicato su Lettere di revisione fisica , fisici e ingegneri della Michigan Technological University, La Pennsylvania State University e la University of Central Florida propongono un nuovo tipo di sensore. Si basano sulla nuova nozione di superfici eccezionali:superfici costituite da punti eccezionali.

Punti eccezionali per un rilevamento eccezionalmente sensibile

Per comprendere il significato dei punti eccezionali, considera un violino immaginario con solo due corde. Generalmente, un tale violino può produrre solo due toni diversi, una situazione che corrisponde a un risonatore ottico convenzionale. Se la vibrazione di una corda può alterare la vibrazione dell'altra corda in modo che il suono e le oscillazioni elastiche creino un solo tono e un movimento collettivo della corda, il sistema ha un punto eccezionale.

Un sistema fisico che esibisce un punto eccezionale è molto fragile. In altre parole, qualsiasi piccola perturbazione modificherà drasticamente il suo comportamento. La caratteristica rende il sistema altamente sensibile ai segnali minuscoli.

"Nonostante questa promessa, la stessa maggiore sensibilità degli eccezionali sensori basati su punti è anche il loro tallone d'Achille:questi dispositivi sono molto sensibili agli errori di fabbricazione inevitabili e alle variazioni ambientali indesiderate, " disse Ramy El-Ganainy, professore associato di fisica, aggiungendo che la sensibilità necessitava di abili accorgimenti di accordatura nelle precedenti dimostrazioni sperimentali.

"La nostra attuale proposta allevia la maggior parte di questi problemi introducendo un nuovo sistema che ha la stessa sensibilità migliorata riportata nel lavoro precedente, mentre allo stesso tempo robusto contro la maggior parte dell'incertezza sperimentale irreparabile, " disse Qi Zhong, autore principale della carta e uno studente laureato che sta attualmente lavorando per il suo dottorato alla Michigan Tech.

Sebbene il design dei sensori a microanello continui a essere perfezionato, i ricercatori sperano che, migliorando i dispositivi, osservazioni ottiche apparentemente minuscole avranno grandi effetti.