L'ajustement de la conception des capteurs à micro-anneau améliore leur sensibilité sans ajouter plus de complexité de mise en œuvre.

La détection optique est l'une des applications les plus importantes de la science de la lumière. Il joue un rôle crucial en astronomie, sciences de l'environnement, diagnostics industriels et médicaux.

Malgré la variété des schémas utilisés pour la détection optique, ils partagent tous le même principe :la grandeur à mesurer doit laisser une « empreinte » sur la réponse optique du système. L'empreinte digitale peut être sa transmission, réflexion ou absorption. Plus ces effets sont forts, plus la réponse du système est forte.

Bien que cela fonctionne bien au niveau macroscopique, mesure minuscule, quantités microscopiques qui induisent une réponse faible est une tâche difficile. Les chercheurs ont développé des techniques pour surmonter cette difficulté et améliorer la sensibilité de leurs appareils. Certaines de ces techniques, qui reposent sur des concepts et des implémentations complexes d'optique quantique, se sont en effet avérés utiles, comme la détection des ondes gravitationnelles dans le projet LIGO. Autres, qui sont basés sur le piégeage de la lumière dans de minuscules boîtes appelées résonateurs optiques, ont réussi à détecter des microparticules et des composants biologiques relativement gros.

Néanmoins, la capacité de détecter de petites nanoparticules et éventuellement des molécules uniques reste un défi. Les tentatives actuelles se concentrent sur un type spécial de dispositifs de piégeage de la lumière appelés résonateurs à micro-anneaux ou microtoroïdes, qui améliorent l'interaction entre la lumière et la molécule à détecter. La sensibilité de ces appareils, cependant, est limité par leur physique fondamentale.

Dans leur article "Sensing with Exceptional Surfaces in Order to Combine Sensitivity with Robustness" publié dans Lettres d'examen physique , physiciens et ingénieurs de l'Université technologique du Michigan, L'université d'État de Pennsylvanie et l'université de Floride centrale proposent un nouveau type de capteur. Elles reposent sur la nouvelle notion de surfaces exceptionnelles :des surfaces constituées de points exceptionnels.

Points exceptionnels pour une détection exceptionnellement sensible

Afin de comprendre la signification des points exceptionnels, considérons un violon imaginaire avec seulement deux cordes. En général, un tel violon ne peut produire que deux tons différents, une situation qui correspond à un résonateur optique conventionnel. Si la vibration d'une corde peut altérer la vibration de l'autre corde de telle sorte que le son et les oscillations élastiques ne créent qu'un seul ton et qu'un seul mouvement de corde collectif, le système a un point exceptionnel.

Un système physique qui présente un point exceptionnel est très fragile. En d'autres termes, toute petite perturbation modifiera considérablement son comportement. Cette fonction rend le système très sensible aux signaux minuscules.

"Malgré cette promesse, la même sensibilité accrue des capteurs ponctuels exceptionnels est également leur talon d'Achille :ces dispositifs sont très sensibles aux inévitables erreurs de fabrication et aux variations environnementales indésirables, " a déclaré Ramy El-Ganainy, professeur agrégé de physique, ajoutant que la sensibilité nécessitait des astuces de réglage intelligentes dans les précédentes démonstrations expérimentales.

"Notre proposition actuelle atténue la plupart de ces problèmes en introduisant un nouveau système qui a la même sensibilité améliorée signalée dans les travaux précédents, tout en étant robuste contre la majorité de l'incertitude expérimentale incontrôlable, " dit Qi Zhong, auteur principal de l'article et étudiant diplômé qui prépare actuellement son doctorat à Michigan Tech.

Bien que la conception des capteurs à micro-anneau continue d'être affinée, les chercheurs espèrent qu'en améliorant les appareils, des observations optiques apparemment minuscules auront des effets importants.