La piattaforma Eureka migliora la sensibilità dei sensori ordinari

Scritto da Sean Ballard

I sensori ottici costituiscono la spina dorsale di molte attività scientifiche e tecnologiche, dal rilevamento delle onde gravitazionali all'imaging di tessuti biologici per scopi diagnostici medici. Questi sensori utilizzano la luce per rilevare i cambiamenti nelle proprietà dell’ambiente che stanno monitorando, inclusi biomarcatori chimici e proprietà fisiche come la temperatura. Una sfida continua nel rilevamento ottico è migliorare la sensibilità per rilevare segnali deboli in mezzo al rumore.

Una nuova ricerca di Lan Yang, Edwin H. e Florence G. Skinner Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi di Preston M. Green presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, svela lo straordinario potere degli EP per applicazioni avanzate rilevamento ottico. In uno studio pubblicato il 5 aprile sulla rivista Science Advances, Yang e il primo autore Wenbo Mao, uno studente di dottorato nel laboratorio di Yang, hanno dimostrato che questi EP unici – condizioni specifiche nei sistemi in cui possono verificarsi fenomeni ottici insoliti – possono implementarli su sensori convenzionali per ottenere una straordinaria sensibilità ai disturbi ambientali.

Yang e Mao hanno sviluppato una piattaforma di rilevamento potenziata dall'EP che supera i limiti degli approcci precedenti. A differenza dei metodi tradizionali che richiedono modifiche al sensore stesso, il loro sistema innovativo è dotato di un controller EP che può essere collegato a sensori esterni fisicamente separati. Questa configurazione consente di regolare gli EP esclusivamente tramite regolazioni del controller, consentendo una sensibilità superiore senza la necessità di complesse modifiche al sensore.

“Abbiamo implementato una nuova piattaforma in grado di trasferire il miglioramento EP ai sensori ottici tradizionali”, ha affermato Yang. “Questo sistema rappresenta un'estensione rivoluzionaria del rilevamento potenziato EP, aumentandone notevolmente l'applicabilità e l'universalità. Qualsiasi sensore sensibile alla fase può ottenere una sensibilità migliorata e un limite di rilevamento ridotto collegandosi a questa configurazione. Semplicemente regolando il controller, questa configurazione EP può adattarsi a diversi scenari di rilevamento, come il rilevamento ambientale, il monitoraggio sanitario e l’imaging biomedico.

Separando le funzioni di rilevamento e controllo, Yang e Mao sono riusciti a evitare i rigorosi requisiti fisici per il funzionamento dei sensori negli EP che finora ne hanno ostacolato l’adozione diffusa. Ciò apre la strada all’applicazione del miglioramento EP a un’ampia gamma di sensori convenzionali – inclusi risonatori ad anello, sensori termici e magnetici e sensori che rilevano vibrazioni o rilevano perturbazioni nei biomarcatori – migliorando significativamente il limite di rilevamento dei sensori utilizzati dagli scienziati. In realtà . Con il controller impostato su EP, il sensore può funzionare in modo diverso – non su EP – e sfruttare comunque i vantaggi di un EP migliorato.

Come prova di concetto, il team di Yang ha testato il limite di rilevamento del sistema, ovvero la capacità di rilevare disturbi deboli dovuti al rumore del sistema. Hanno dimostrato una riduzione di sei volte del limite di rilevamento del sensore utilizzando la configurazione EP migliorata rispetto al sensore convenzionale.

“Con questo lavoro, abbiamo dimostrato che possiamo migliorare significativamente la nostra capacità di rilevare disturbi con segnali deboli”, ha affermato Mao. “Ora siamo concentrati sull'applicazione di questa teoria su larga scala. Mi concentro particolarmente sulle applicazioni mediche, in particolare sul lavoro sul rilevamento magnetico potenziato, che può essere utilizzato per migliorare la tecnologia MRI. Attualmente, la MRI richiede una camera piena con un controllo preciso della temperatura. “La nostra piattaforma EP può essere utilizzata per migliorare il rilevamento magnetico e consentire la risonanza magnetica portatile al posto letto.”