出色的基于表面的傳感器。微環(huán)諧振器通過端鏡與波導(dǎo)耦合，端鏡部分反射光，從而提高了靈敏度。圖片來源：Ramy El-Ganainy和Qi Zhong

調(diào)整微環(huán)傳感器的設(shè)計(jì)可提高其靈敏度，而不會(huì)增加實(shí)施復(fù)雜性。

光學(xué)傳感是光科學(xué)最重要的應(yīng)用之一。它在天文學(xué)，環(huán)境科學(xué)，工業(yè)和醫(yī)學(xué)診斷中起著至關(guān)重要的作用。

盡管用于光學(xué)傳感的方案多種多樣，但它們都具有相同的原理：要測(cè)量的量必須在系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)上留下“指紋”。指紋可以是其透射，反射或吸收。這些影響越強(qiáng)，系統(tǒng)的響應(yīng)就越強(qiáng)。

盡管這在宏觀層面上效果很好，但測(cè)量導(dǎo)致微弱響應(yīng)的微小微觀量卻是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。研究人員已經(jīng)開發(fā)出克服這一困難并提高其設(shè)備靈敏度的技術(shù)。這些技術(shù)中的某些依賴于復(fù)雜的量子光學(xué)概念和實(shí)現(xiàn)，確實(shí)被證明是有用的，例如在LIGO項(xiàng)目中感測(cè)重力波。其他基于將光捕獲在稱為光學(xué)諧振器的小盒子中的方法，則已經(jīng)成功地檢測(cè)了微粒和相對(duì)較大的生物成分。

盡管如此，檢測(cè)小納米顆粒并最終檢測(cè)單個(gè)分子的能力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)前的嘗試集中在一種稱為微環(huán)或微環(huán)諧振器的特殊類型的光捕獲設(shè)備上，這些設(shè)備可以增強(qiáng)光與要檢測(cè)的分子之間的相互作用。但是，這些設(shè)備的靈敏度受到其基本物理原理的限制。

密歇根理工大學(xué)，賓夕法尼亞州立大學(xué)和中佛羅里達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家和工程師們?cè)凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的文章“利用異常表面進(jìn)行傳感以使靈敏度與魯棒性相結(jié)合”中，提出了一種新型的傳感器。它們基于特殊曲面的新概念：由特殊點(diǎn)組成的曲面。

異常敏感檢測(cè)的異常點(diǎn)

為了理解特殊點(diǎn)的含義，請(qǐng)考慮一個(gè)只有兩個(gè)弦的假想小提琴。通常，這種小提琴只能產(chǎn)生兩種不同的音調(diào)，這相當(dāng)于傳統(tǒng)的光學(xué)諧振器。如果一根弦的振動(dòng)可以某種方式改變另一根弦的振動(dòng)，使得聲音和彈性振動(dòng)僅產(chǎn)生一種音調(diào)和一種集體的弦運(yùn)動(dòng)，則該系統(tǒng)具有特殊的意義。

表現(xiàn)出特殊點(diǎn)的物理系統(tǒng)非常脆弱。換句話說，任何小的干擾都會(huì)極大地改變其行為。該功能使系統(tǒng)對(duì)微小信號(hào)高度敏感。

物理學(xué)副教授Ramy El-Ganainy表示：“盡管有這樣的承諾，但卓越的基于點(diǎn)的傳感器同樣具有增強(qiáng)的靈敏度，這也是他們的致命弱點(diǎn)：這些設(shè)備對(duì)不可避免的制造錯(cuò)誤和不良的環(huán)境變化非常敏感。”靈敏度要求在先前的實(shí)驗(yàn)演示中有巧妙的調(diào)音技巧。

該論文的主要作者齊鐘說：“我們目前的建議通過引入一種新系統(tǒng)來緩解大多數(shù)此類問題，該系統(tǒng)具有與先前工作中報(bào)道的相同的增強(qiáng)的靈敏度，同時(shí)又能抵抗大多數(shù)不可替代的實(shí)驗(yàn)不確定性。”一名研究生，目前正在密歇根理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位。

盡管微環(huán)傳感器的設(shè)計(jì)仍在不斷完善，但研究人員希望通過改進(jìn)設(shè)備，看起來很小的光學(xué)觀察會(huì)產(chǎn)生很大的影響。