Optische Sensoren dienen als Rückgrat zahlreicher wissenschaftlicher und technologischer Bestrebungen, von der Erkennung von Gravitationswellen bis zur Abbildung biologischen Gewebes für die medizinische Diagnostik. Diese Sensoren nutzen Licht, um Veränderungen in den Eigenschaften der von ihnen überwachten Umgebung zu erkennen, einschließlich chemischer Biomarker und physikalischer Eigenschaften wie der Temperatur. Eine anhaltende Herausforderung bei der optischen Sensorik ist die Verbesserung der Empfindlichkeit zur Erkennung schwacher Signale inmitten von Rauschen.
Neue Forschungsergebnisse von Lan Yang, Edwin H. & Florence G. Skinner-Professor am Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, erschließen die Kraft außergewöhnlicher Punkte (EPs). ) für erweiterte optische Sensorik. In einer Studie veröffentlicht 5. April in Wissenschaftliche FortschritteYang und Erstautor Wenbo Mao, ein Doktorand in Yangs Labor, zeigten, dass diese einzigartigen EPs – spezifische Bedingungen in Systemen, in denen außergewöhnliche optische Phänomene auftreten können – auf herkömmlichen Sensoren eingesetzt werden können, um eine bemerkenswerte Empfindlichkeit gegenüber Umweltstörungen zu erreichen.
Yang und Mao entwickelten eine EP-verstärkte Sensorplattform, die die Einschränkungen früherer Ansätze überwindet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die Modifikationen am Sensor selbst erfordern, verfügt ihr innovatives System über eine EP-Steuereinheit, die an physisch getrennte externe Sensoren angeschlossen werden kann. Diese Konfiguration ermöglicht die Abstimmung von EPs ausschließlich durch Anpassungen an der Steuereinheit und ermöglicht so eine extrem hohe Empfindlichkeit, ohne dass komplexe Modifikationen am Sensor erforderlich sind.
„Wir haben eine neuartige Plattform implementiert, die herkömmlichen optischen Sensoren eine EP-Verbesserung verleihen kann“, sagte Yang. „Dieses System stellt eine revolutionäre Erweiterung der EP-verstärkten Sensorik dar und erweitert deren Anwendbarkeit und Universalität erheblich. Jeder phasenempfindliche Sensor kann durch den Anschluss an diese Konfiguration eine verbesserte Empfindlichkeit und eine verringerte Nachweisgrenze erreichen. Diese EP-Konfiguration kann einfach durch Abstimmung der Steuereinheit erreicht werden.“ Anpassung an verschiedene Sensorszenarien, wie z. B. Umgebungserkennung, Gesundheitsüberwachung und biomedizinische Bildgebung.“
Durch die Entkopplung der Sensor- und Steuerungsfunktionen haben Yang und Mao die strengen physikalischen Anforderungen für den Betrieb von Sensoren an EPs effektiv umgangen, die bisher ihrer weit verbreiteten Einführung im Weg standen. Dies ebnet den Weg für die Anwendung der EP-Verstärkung auf ein breites Spektrum herkömmlicher Sensoren – darunter Ringresonatoren, thermische und magnetische Sensoren sowie Sensoren, die Vibrationen aufnehmen oder Störungen in Biomarkern erkennen – und verbessert so die Nachweisgrenze der von Wissenschaftlern bereits verwendeten Sensoren erheblich . Wenn die Steuereinheit auf einen EP eingestellt ist, kann der Sensor anders arbeiten – nicht bei einem EP – und dennoch von den Vorteilen der EP-Verbesserung profitieren.
Als Proof-of-Concept testete Yangs Team die Erkennungsgrenze eines Systems, also die Fähigkeit, schwache Störungen über Systemrauschen zu erkennen. Sie zeigten eine sechsfache Reduzierung der Nachweisgrenze eines Sensors mit ihrer EP-erweiterten Konfiguration im Vergleich zum herkömmlichen Sensor.
„Mit dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass wir unsere Fähigkeit, Störungen mit schwachen Signalen zu erkennen, erheblich verbessern können“, sagte Mao. „Wir konzentrieren uns jetzt darauf, diese Theorie in breite Anwendungen umzusetzen. Ich konzentriere mich speziell auf medizinische Anwendungen, insbesondere auf die Verbesserung der Magnetsensorik, die zur Verbesserung der MRT-Technologie genutzt werden könnte. Derzeit erfordern MRTs einen ganzen Raum mit sorgfältiger Temperaturkontrolle.“ „Unsere EP-Plattform könnte zur Verbesserung der Magnetsensorik genutzt werden, um eine tragbare MRT am Krankenbett zu ermöglichen.“
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Wenbo Mao et al, Exceptional–Point–Enhanced Phase Sensing, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adl5037