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Abstracto:
Los sensores ópticos sirven como columna vertebral de numerosos esfuerzos científicos y tecnológicos, desde la detección de ondas gravitacionales hasta la obtención de imágenes de tejido biológico para diagnóstico médico. Estos sensores utilizan la luz para detectar cambios en las propiedades del entorno que monitorean, incluidos biomarcadores químicos y propiedades físicas como la temperatura. Un desafío actual en la detección óptica es mejorar la sensibilidad para detectar señales débiles en medio del ruido.
Una innovadora plataforma de sensores permite una sensibilidad ultraalta de los sensores convencionales: Lan Yang y su equipo han desarrollado un nuevo hardware plug-and-play para aumentar significativamente la sensibilidad de los sensores ópticos.
San Luis, Missouri | Publicado el 5 de abril de 2024
Una nueva investigación de Lan Yang, profesor Edwin H. y Florence G. Skinner en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Sistemas Preston M. Green de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, desbloquea el poder de los puntos excepcionales (EP). ). ) para sensores ópticos ampliados. En un estudio publicado el 5 de abril en Science Advances, Yang y el autor principal Wenbo Mao, un estudiante graduado en el laboratorio de Yang, demostraron que estos EP únicos (condiciones específicas en sistemas donde pueden ocurrir fenómenos ópticos extraordinarios) pueden usarse en sensores convencionales para lograr una sorprendente sensibilidad a las perturbaciones ambientales.
Yang y Mao desarrollaron una plataforma de detección mejorada con EP que supera las limitaciones de enfoques anteriores. A diferencia de los métodos tradicionales que requieren modificaciones en el propio sensor, su innovador sistema cuenta con una unidad de control EP que se puede conectar a sensores externos físicamente separados. Esta configuración permite que los EP se sintonicen únicamente mediante ajustes en la unidad de control, lo que permite una sensibilidad extremadamente alta sin la necesidad de modificaciones complejas en el sensor.
«Hemos implementado una plataforma novedosa que puede mejorar la EP de los sensores ópticos tradicionales», dijo Yang. “Este sistema representa una expansión revolucionaria de la detección mejorada por EP y amplía significativamente su aplicabilidad y universalidad. Cualquier sensor sensible a la fase puede lograr una sensibilidad mejorada y un límite de detección reducido al conectarse a esta configuración. Simplemente sintonizando la unidad de control, esta configuración EP se puede adaptar a varios escenarios de detección, tales como: B. Detección ambiental, vigilancia de la salud e imágenes biomédicas.”
Al desacoplar las funciones de detección y control, Yang y Mao han eludido efectivamente los estrictos requisitos físicos para operar sensores en los EP que anteriormente obstaculizaban su adopción generalizada. Esto allana el camino para la aplicación de la amplificación EP a una amplia gama de sensores convencionales, incluidos resonadores de anillo, sensores térmicos y magnéticos, así como sensores que captan vibraciones o detectan perturbaciones en biomarcadores, mejorando así significativamente el límite de detección de los sensores que ya existen. utilizado por los científicos. Cuando el controlador está configurado en EP, el sensor puede funcionar de manera diferente (no en EP) y aun así beneficiarse de los beneficios de la amplificación EP.
Como prueba de concepto, el equipo de Yang probó el límite de detección de un sistema, es decir, la capacidad de detectar perturbaciones débiles por encima del ruido del sistema. Demostraron una reducción de seis veces en el límite de detección de un sensor con su configuración mejorada con EP en comparación con el sensor convencional.
«Con este trabajo, hemos demostrado que podemos mejorar significativamente nuestra capacidad para detectar interferencias con señales débiles», dijo Mao. “Ahora estamos centrados en traducir esta teoría en aplicaciones amplias. Me concentro específicamente en aplicaciones médicas y, en particular, trabajo en mejorar la detección magnética, que podría usarse para mejorar la tecnología de resonancia magnética. Actualmente, las resonancias magnéticas requieren una sala completa con un cuidadoso control de temperatura. Nuestra plataforma EP podría usarse para mejorar la detección magnética y permitir resonancias magnéticas portátiles junto a la cama”.
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Este proyecto cuenta con el apoyo parcial de la Iniciativa Chan Zuckerberg (CZI). Los autores agradecen al Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales (IMSE) de la Universidad de Washington en St. Louis por el uso de instrumentos, apoyo financiero y personal.
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Contactos:
Lea Shaffer
Universidad de Washington en San Luis
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Marcador:
Mao W, Fu Z, Li Y, Li F y Yang L. Captura de fase excepcional mejorada por puntos. Avances científicos, 5 de abril de 2024. DOI: doi.org/10.1126/sciadv.adl5037
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