上圖所示為一種特殊的表面型傳感器。

微環(huán)諧振器與帶有部分反射光的端鏡的波導(dǎo)耦合，從而提高了靈敏度。調(diào)整微環(huán)傳感器的設(shè)計(jì)可以在不增加實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性的情況下提高其靈敏度。光學(xué)傳感是光科學(xué)*重要的應(yīng)用之一。它在天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)診斷中起著至關(guān)重要的作用。

盡管用于光學(xué)傳感的方案多種多樣，但它們都有相同的原理：要測(cè)量的數(shù)量必須在系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)上留下“光譜”。指紋可以是它的透射、反射或吸收。這些效應(yīng)越強(qiáng)，系統(tǒng)的響應(yīng)就越強(qiáng)。

雖然這在宏觀層面上很有效，但是測(cè)量引起弱響應(yīng)的微小的微觀量是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出技術(shù)來(lái)克服這一困難，提高設(shè)備的靈敏度。其中一些技術(shù)依賴于復(fù)雜的量子光學(xué)概念和實(shí)現(xiàn)，事實(shí)證明是有用的，例如在激光干涉引力波天文臺(tái)項(xiàng)目（LIGO）中感應(yīng)引力波。另一些基于將光捕獲在稱(chēng)為光學(xué)諧振器的小盒子中的技術(shù)，已經(jīng)成功地探測(cè)到了微粒子和相對(duì)較大的生物成分。

然而，檢測(cè)小納米顆粒和*終單個(gè)分子的能力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前的嘗試集中在一種特殊類(lèi)型的光捕獲裝置上，這種裝置被稱(chēng)為微環(huán)或微環(huán)面諧振器，它們?cè)鰪?qiáng)了光與被檢測(cè)分子之間的相互作用。然而，這些裝置的靈敏度受到基礎(chǔ)物理的限制。

密西根理工大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)和中佛羅里達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家和工程師在他們發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)Physical Review Letters》上的文章“用特殊表面感知以將靈敏度與魯棒性結(jié)合起來(lái)”中提出了一種新型傳感器。它們基于異常曲面的新概念：由異常點(diǎn)組成的曲面。

異常點(diǎn)用于超敏感的檢測(cè)

為了理解特殊點(diǎn)的含義，考慮一把只有兩條弦的假想小提琴。一般來(lái)說(shuō)，這樣的小提琴只能產(chǎn)生兩種不同的音調(diào)——一種對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)光學(xué)諧振器的情況。如果一根弦的振動(dòng)能改變另一根弦的振動(dòng)，使聲音和彈性振動(dòng)只產(chǎn)生一個(gè)音調(diào)和一個(gè)集體弦運(yùn)動(dòng)，那么系統(tǒng)就有一個(gè)例外點(diǎn)。

一個(gè)表現(xiàn)出特殊點(diǎn)的物理系統(tǒng)是非常脆弱的。換句話說(shuō)，任何微小的擾動(dòng)都會(huì)顯著地改變它的行為。該特性使系統(tǒng)對(duì)微小信號(hào)高度敏感。

物理副教授Ramy El Ganainy說(shuō)：“盡管有這一潛在特性，但特殊的點(diǎn)基傳感器同樣提高了靈敏度，這也是它們的致命弱點(diǎn)：這些設(shè)備對(duì)不可避免的制造誤差和不希望出現(xiàn)的環(huán)境變化非常敏感?！彼€補(bǔ)充說(shuō)，此外，在之前的實(shí)驗(yàn)演示中，靈敏度需要巧妙的調(diào)優(yōu)技巧。

“我們目前的建議通過(guò)引入一個(gè)新的系統(tǒng)來(lái)緩解這些問(wèn)題，該系統(tǒng)具有與之前工作中報(bào)告的相同的增強(qiáng)靈敏度，同時(shí)對(duì)大多數(shù)不可克服的實(shí)驗(yàn)不確定性具有強(qiáng)大的抵抗力，”論文的主要作者、目前正在努力研究他的研究生Qi Zhong說(shuō)，他目前正在攻讀密歇根理工大學(xué)博士學(xué)位。

盡管微環(huán)傳感器的設(shè)計(jì)仍在不斷改進(jìn)，但研究人員希望通過(guò)改進(jìn)這些設(shè)備，看似微小的光學(xué)觀測(cè)將產(chǎn)生巨大的影響。