Les microcapteurs sans fil ont permis de nouvelles façons de surveiller notre environnement en permettant aux utilisateurs de mesurer des espaces auparavant inaccessibles à la recherche, comme les zones toxiques, composants de véhicules, ou des zones reculées du corps humain. Des chercheurs, cependant, ont été entravés par des améliorations limitées de la qualité des données et de la sensibilité de ces appareils en raison des défis associés aux environnements dans lesquels ils fonctionnent et du besoin de capteurs avec des empreintes extrêmement réduites.

Un nouvel article publié aujourd'hui dans Nature Électronique par des chercheurs de l'Advanced Science Research Center (ASRC) du Graduate Center de la City University of New York, Université d'État Wayne, et Université technologique du Michigan, explique comment de nouveaux dispositifs dotés de capacités bien au-delà de celles des capteurs conventionnels peuvent être construits en empruntant des concepts à la mécanique quantique.

L'équipe, dirigé par Andrea Alù, directeur de la Photonics Initiative de l'ASRC et professeur Einstein de physique au Graduate Center, et Pai-Yen Chen, professeur à la Wayne State University, a développé une nouvelle technique de conception de microcapteurs qui permet une sensibilité considérablement améliorée et un très faible encombrement. Leur méthode consiste à utiliser une mise à l'échelle isospectrale parité-temps-réciproque, ou symétrie PTX, pour concevoir les circuits électroniques. Un « lecteur » est associé à un microcapteur passif qui respecte cette symétrie PTX. La paire réalise des lectures de radiofréquence très sensibles.

"Dans la volonté de miniaturiser les capteurs pour améliorer leur résolution et permettre des réseaux à grande échelle de dispositifs de détection, l'amélioration de la sensibilité des microcapteurs est cruciale, " a déclaré Alù. " Notre approche répond à ce besoin en introduisant une condition de symétrie généralisée qui permet des lectures de haute qualité dans une empreinte miniaturisée. "

Le travail s'appuie sur les avancées récentes dans le domaine de la mécanique quantique et de l'optique, qui ont montré que les systèmes symétriques par inversion spatiale et temporelle, ou parité-temps (PT) symétrique, peut offrir des avantages pour la conception des capteurs. L'article généralise cette propriété à une classe plus large de dispositifs qui satisfont à une forme plus générale de symétrie :la symétrie PTX. Ce type de symétrie, est particulièrement bien adapté pour maintenir une sensibilité élevée, tout en réduisant drastiquement l'encombrement.

Les chercheurs ont pu montrer ce phénomène dans un système de capteurs télémétriques basé sur un circuit électronique radiofréquence, qui présentait une résolution et une sensibilité considérablement améliorées par rapport aux capteurs conventionnels. Les capteurs de pression sans fil basés sur la microélectromécanique (MEMS) partagent les avantages de sensibilité des précédents dispositifs symétriques PT, mais surtout, la condition de symétrie généralisée permet à la fois la miniaturisation du dispositif et permet une réalisation efficace à basses fréquences au sein d'un circuit électronique compact.

Cette nouvelle approche peut permettre aux chercheurs de surmonter les défis actuels en déployant des réseaux omniprésents de longue durée, des microcapteurs discrets pour surveiller de grandes zones. À l'ère de l'Internet des objets et des mégadonnées, ces réseaux sont utiles pour la santé sans fil, Villes intelligentes, et les systèmes cyber-physiques qui collectent et stockent dynamiquement de grandes quantités d'informations pour une analyse éventuelle.

"Le développement de microcapteurs sans fil à haute sensibilité est l'un des défis majeurs pour les utilisations pratiques dans les bioimplants, électronique portable, Internet des objets, et les systèmes cyber-physiques, " a déclaré Chen. " Bien qu'il y ait eu des progrès continus dans les capteurs micro-usinés miniatures, les bases de la technique de lecture télémétrique restent essentiellement inchangées depuis son invention. Cette nouvelle approche de télémétrie rendra possible l'objectif longtemps recherché de détecter avec succès de minuscules actionnements physiques ou chimiques à partir de microcapteurs sans contact. »