L'ajout de bruit pour améliorer un signal faible est un phénomène de détection courant dans le monde animal mais inhabituel dans les capteurs artificiels. Maintenant, les chercheurs de Penn State ont ajouté une petite quantité de bruit de fond pour améliorer les signaux très faibles dans une source lumineuse trop faible pour être détectée.

Contrairement à la plupart des capteurs, pour lequel le bruit est un problème qui doit être supprimé, ils ont découvert qu'ajouter juste la bonne quantité de bruit de fond peut en fait augmenter un signal trop faible pour être détecté par des capteurs normaux, à un niveau pouvant atteindre la détectabilité.

Bien que leur capteur, à base d'un matériau bidimensionnel appelé bisulfure de molybdène, détecte la lumière, le même principe peut être utilisé pour détecter d'autres signaux, et parce qu'il nécessite très peu d'énergie et d'espace par rapport aux capteurs conventionnels, pourrait trouver une large adaptation dans le futur Internet des objets (IoT). L'IoT déploiera des dizaines de millions de capteurs pour surveiller les conditions dans la maison et les usines, et de faibles besoins énergétiques seraient un avantage considérable.

"Ce phénomène est quelque chose que l'on voit fréquemment dans la nature, " dit Saptarshi Das, professeur assistant en sciences de l'ingénieur et en mécanique. "Par exemple, un spatulaire qui vit dans les eaux boueuses ne peut pas réellement trouver sa nourriture, qui est un phytoplancton appelé Daphnia, de vue. Le spatulaire a des électrorécepteurs qui peuvent capter un signal électrique très faible de la Daphnia jusqu'à 50 mètres. Si vous ajoutez un peu de bruit, il peut trouver la Daphnie à 75 mètres voire 100 mètres. Cette capacité s'ajoute au succès évolutif de cet animal."

Un autre exemple intéressant est le scarabée bijou, qui peut détecter un feu de forêt à une distance de 50 miles. Le détecteur infrarouge le plus avancé ne peut détecter qu'à 10 à 20 miles. Cela est dû à un phénomène que ces animaux utilisent appelé résonance stochastique.

"La résonance stochastique est un phénomène où un signal faible qui est en dessous du seuil de détection d'un capteur peut être détecté en présence d'une quantité finie et appropriée de bruit, " selon Akhil Dodda, un étudiant diplômé en sciences de l'ingénieur et en mécanique et co-premier auteur d'un nouvel article paru cette semaine dans Communication Nature .

Dans leur papier, les chercheurs démontrent la première utilisation de cette technique pour détecter un signal photonique sous le seuil.

Une utilisation possible envisagée est celle des troupes au combat. Le personnel de l'armée sur le terrain transporte déjà du matériel très volumineux. Il est impossible d'ajouter du lourd, équipement énergivore requis pour améliorer un signal inférieur au seuil. Leur technique est également applicable dans des environnements aux ressources limitées ou sous l'océan où les gens veulent surveiller des signaux très faibles. Il pourrait également être utilisé dans des sites volcaniques ou pour surveiller les tremblements de terre à temps pour donner une alarme.

« Qui aurait pensé que le bruit pouvait jouer un rôle constructif dans la détection des signaux ? Nous avons défié la tradition de détecter des signaux autrement indétectables avec une consommation d'énergie minime. Cela peut ouvrir la porte à un domaine totalement inexploré et ignoré de la détection de signaux améliorés par le bruit, " dit Aaryan Oberoi, un étudiant diplômé du Département des sciences de l'ingénierie et de la mécanique et co-premier auteur de l'article.

Leur prochaine étape consiste à démontrer cette technique sur une photodiode au silicium, ce qui rendrait l'appareil très évolutif. Tout capteur de pointe peut être amélioré par ce concept, Das dit.