On a longtemps pensé que la compagnie de deux et trois était une foule. Mais les ingénieurs électriciens et systèmes de l'Université de Washington à St. Louis et leurs collaborateurs ont montré que l'ajout d'un troisième nanodiffuseur, en complément de deux nanodiffuseurs "tuning", à un résonateur photonique en fait une fascinante fête de la physique.

Spécifiquement, les deux nanodiffuseurs d'accord placent le résonateur à un "point exceptionnel, " un état particulier d'un système auquel des phénomènes inhabituels peuvent se produire. Le troisième nanodiffuseur perturbe le système, et comme un méchant tyran de terrain de jeu, plus c'est petit, plus il reçoit de réponse.

L'équipe de l'Université de Washington, dirigé par Lan Yang, le professeur Edwin H. &Florence G. Skinner d'ingénierie électrique et des systèmes, a fait des progrès majeurs récemment dans l'étude et la manipulation de la lumière. La découverte la plus récente de l'équipe de la capacité de détection des microrésonateurs pourrait avoir des impacts sur la création de dispositifs biomédicaux, appareils électroniques et de détection des risques biologiques.

"Il est difficile de détecter des objets à l'échelle nanométrique, comme les nanoparticules, " dit Yang. " Si l'objet est très petit, il introduit peu de perturbation dans un système de détection. Nous utilisons une caractéristique topologique inhabituelle associée à des points exceptionnels d'un système physique pour améliorer la réponse d'un capteur optique à de très petites perturbations, tels que ceux introduits par les objets nanométriques. La beauté du capteur ponctuel exceptionnel est la plus petite de la perturbation, plus l'amélioration est importante par rapport à un capteur conventionnel."

Le système de capteurs de Yang appartient à une catégorie appelée résonateurs en mode galerie de chuchotement (WGM), qui fonctionnent comme la célèbre galerie des chuchotements de la cathédrale Saint-Paul de Londres, où quelqu'un d'un côté du dôme peut entendre un message prononcé au mur par quelqu'un de l'autre côté. Contrairement au dôme, qui a des résonances ou des points doux dans la gamme audible, le capteur résonne aux fréquences lumineuses.

"Le soi-disant 'point exceptionnel' dote un capteur de galerie de chuchotements de performances exceptionnelles pour la détection d'objets à l'échelle nanométrique, surpassant celui des capteurs de galerie de chuchotement conventionnels, " a déclaré Weijian Chen, un doctorant en génie électrique dans le laboratoire de Yang. "Étonnamment, plus l'objet cible est petit, meilleures seront les performances de notre nouveau capteur."

Le WGM de Yang comprend deux diffuseurs de silice compagnons, ou nanopointes, qui a mis sur le tore, ou fil en forme de donut, la voie à parcourir pour des millions de paquets de lumière appelés photons. Ces appareils règlent divers paramètres du système pour influencer le fonctionnement. À l'aide de systèmes de nanopositionnement, les chercheurs peuvent déplacer les diffuseurs et augmenter la taille et même introduire un autre milieu - une particule virale, par exemple, dans le champ pour perturber le champ et faire signe à un point exceptionnel.

Dans les expériences les plus récentes de l'équipe, les deux nanodiffuseurs "d'accord" amènent le résonateur à des points exceptionnels; la troisième particule perturbe le système à partir de ses points exceptionnels et conduit à un clivage fréquentiel. En raison de la topologie racine carrée très complexe à proximité d'un point exceptionnel, la division de fréquence, qui est le signal de détection, est représenté mathématiquement par la racine carrée de la force de perturbation. Il est nettement plus grand que ce que l'on trouve dans le traditionnel, schémas de détection ponctuelle non exceptionnels utilisant de très petites perturbations.

Yang et son groupe explorent l'utilisation du point exceptionnel dans des études d'imagerie photoacoustique et d'autres scénarios où ils cherchent à développer des « modes de transport de lumière non conventionnels, ' elle a dit. « Il devrait y avoir de nombreuses applications qui en découlent. »