L'aggiunta di rumore per migliorare un segnale debole è un fenomeno di rilevamento comune nel mondo animale ma insolito nei sensori artificiali. Ora i ricercatori della Penn State hanno aggiunto una piccola quantità di rumore di fondo per migliorare i segnali molto deboli in una fonte di luce troppo debole per essere rilevata.

A differenza della maggior parte dei sensori, per cui il rumore è un problema che dovrebbe essere soppresso, hanno scoperto che aggiungere la giusta quantità di rumore di fondo può effettivamente aumentare un segnale troppo debole per essere rilevato dai normali sensori, ad un livello che può raggiungere la rilevabilità.

Sebbene il loro sensore, a base di un materiale bidimensionale chiamato bisolfuro di molibdeno, rileva la luce, lo stesso principio può essere utilizzato per rilevare altri segnali, e poiché richiede pochissima energia e spazio rispetto ai sensori convenzionali, potrebbe trovare ampio adattamento nell'imminente Internet of Things (IoT). IoT implementerà decine di milioni di sensori per monitorare le condizioni in casa e nelle fabbriche, e il basso fabbisogno energetico sarebbe un forte vantaggio.

"Questo fenomeno è qualcosa che si vede spesso in natura, "dice Saptarshi Das, un assistente professore di scienze ingegneristiche e meccanica. "Per esempio, un pesce spatola che vive in acque fangose ​​non riesce effettivamente a trovare il suo cibo, che è un fitoplancton chiamato Daphnia, a vista. Il pesce spatola ha elettrorecettori in grado di captare un segnale elettrico molto debole dalla Daphnia fino a 50 metri. Se aggiungi un po' di rumore, può trovare la Daphnia a 75 metri o anche a 100 metri. Questa capacità si aggiunge al successo evolutivo di questo animale".

Un altro esempio interessante è lo scarabeo gioiello, che può rilevare un incendio boschivo a 50 miglia di distanza. Il rilevatore a infrarossi più avanzato può rilevare solo da 10 a 20 miglia. Ciò è dovuto a un fenomeno che questi animali usano chiamato risonanza stocastica.

"La risonanza stocastica è un fenomeno in cui un segnale debole che è al di sotto della soglia di rilevamento di un sensore può essere rilevato in presenza di una quantità finita e appropriata di rumore, "secondo Akhil Dodda, uno studente laureato in ingegneria e meccanica e co-primo autore di un nuovo articolo apparso questa settimana in Comunicazioni sulla natura .

Nella loro carta, i ricercatori dimostrano il primo utilizzo di questa tecnica per rilevare un segnale fotonico sottosoglia.

Un possibile uso considerato è per le truppe in combattimento. Il personale dell'esercito sul campo trasporta già attrezzature molto ingombranti. Non è fattibile aggiungere il pesante, apparecchiature affamate di energia necessarie per migliorare un segnale sottosoglia. La loro tecnica è applicabile anche in ambienti con risorse limitate o sotto l'oceano dove le persone vogliono monitorare segnali molto deboli. Potrebbe essere utilizzato anche in località vulcaniche o per monitorare i terremoti in tempo per dare un allarme.

"Chi avrebbe mai pensato che il rumore potesse svolgere un ruolo costruttivo nel rilevamento del segnale? Abbiamo sfidato la tradizione per rilevare segnali altrimenti non rilevabili con un consumo di energia minuscolo. Questo può aprire le porte a un campo totalmente inesplorato e ignorato di rilevamento del segnale potenziato dal rumore, " disse Aryan Oberoi, uno studente laureato del Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria e della Meccanica e co-primo autore dell'articolo.

Il loro prossimo passo è dimostrare questa tecnica su un fotodiodo al silicio, che renderebbe il dispositivo molto scalabile. Qualsiasi sensore all'avanguardia può essere migliorato da questo concetto, Das dice.