Per segnali appena più grandi del rumore in un sistema, la misurazione è generalmente un compromesso tra velocità e precisione. La media su più misurazioni riduce l'influenza del rumore ma richiede (molto) tempo. Ciò potrebbe cambiare con un nuovo metodo di misurazione rivoluzionario, ideato dai ricercatori AMOLF Kevin Peters e Said Rodriguez. La loro idea si basa su un risonatore ottico non lineare, spiega Rodriguez:"In questo sensore, una misurazione più veloce produce effettivamente un segnale più forte". L'elaborazione teorica di questo nuovo metodo di misurazione è pubblicata in Physical Review Letters oggi, 27 giugno 2022. Per un'esplorazione sperimentale, si cercano collaborazioni con aziende che cercano di effettuare misurazioni rapide e precise con la luce.

"La fisica consiste nell'effettuare misurazioni per raccogliere informazioni su un sistema o per ridurre l'incertezza sullo stato di un sistema. A volte la precisione è la cosa più importante - quanto sei sicuro che qualcosa nel sistema sia cambiato? In altri casi, la velocità è la cosa più importante - quanto velocemente puoi raccogliere informazioni? Nella maggior parte dei rilevatori, la precisione va a scapito della velocità", afferma Rodriguez, leader del gruppo AMOLF. "Considera qualcosa di così semplice come guardare un dipinto:se lo vedi solo per pochi secondi, raccogli molte meno informazioni rispetto a quando lo vedi per pochi minuti. In altre parole:più a lungo misuriamo, più informazioni che raccogliamo e più precisamente conosciamo lo stato del sistema (il dipinto)."

Rumore

Quando si misurano segnali molto piccoli, è importante anche l'influenza del rumore. "Un tipico rivelatore ottico, basato su un risuonatore o una cavità, emette un segnale quando, ad esempio, una molecola perturba il risuonatore. Ma questo segnale può essere così piccolo da superare di poco il rumore del laser. Il segnale può essere solo rilevati calcolando la media di più misurazioni o utilizzando un tempo di misurazione più lungo", afferma Rodriguez, che, insieme al dottorato di ricerca. studente Kevin Peters, sta cercando modi per ridurre l'influenza del rumore nel rilevamento con sistemi ottici.

'Punto eccezionale'

I ricercatori hanno trovato ispirazione per il loro nuovo concetto di misurazione unico in un fenomeno fisico esotico che si verifica nei sistemi quantistici aperti, come i risonatori ottici che misurano la presenza di molecole o virus. "Tali sistemi hanno autovalori complessi che a volte coincidono. In tal caso si parla di un 'punto eccezionale' e la teoria suggerisce che le misurazioni esattamente in tale punto dovrebbero essere molto più sensibili", afferma Rodriguez. "Tuttavia, si è scoperto che mentre i segnali erano effettivamente migliorati in questi 'punti eccezionali', lo era anche il rumore. Inoltre, determinare la posizione esatta del punto eccezionale, in cui misurare, è un compito molto complicato e ingombrante".

I ricercatori si sono resi conto che qualcosa di simile ai "punti eccezionali" potrebbe essere identificato anche nelle cavità ottiche non lineari (un tipo di risonatore) con cui lavorano. Rodriguez:"Le cavità non lineari possono avere un'isteresi ottica. Quando si aumenta l'accensione del laser, l'intensità della luce nella cavità aumenta in un certo modo. Ma poi, quando si riduce la potenza del laser, l'intensità della luce lascia la cavità in modo diverso.Ciò si traduce in un'isteresi, simile alla magnetizzazione di alcuni materiali quando viene applicato un campo magnetico.Abbiamo scoperto che la differenza di intensità della luce tra i punti in cui l'isteresi si apre e si chiude, è proporzionale alla radice quadrata del disturbo del risuonatore (es. causato da una molecola da misurare). La misura di questo 'segnale di differenza' è quindi molto sensibile a piccole perturbazioni. Inoltre, abbiamo dimostrato che con misurazioni più veloci, l'influenza del rumore diventa minore, al contrario a ciò che accade nei metodi di misurazione convenzionali."

Fattibilità pratica

I ricercatori hanno effettuato calcoli teorici per il sensore proposto, ma hanno anche pensato alla fattibilità pratica. L'impostazione della frequenza di modulazione corretta per le misurazioni con il risonatore ottico proposto è facilmente possibile con le apparecchiature esistenti. Pertanto, Rodriguez vorrebbe collaborare con l'industria per esplorare ulteriormente l'idea e utilizzarla per il rilevamento ottico. "Questo modo di misurare è interessante per tutti i tipi di applicazioni in cui i sensori ottici sono già in uso", afferma. "Pensa ai sensori per la determinazione della posizione o del movimento, per le misurazioni chimiche o per il rilevamento di nanoparticelle. In effetti, qualsiasi cosa su cui fai luce e poi misuri ciò che ne esce può trarre vantaggio dal nostro approccio non lineare più sensibile". + Esplora ulteriormente

Utilizzo del rumore per migliorare il rilevamento ottico