出色的基于表面的傳感器。微環(huán)諧振器通過端鏡與波導耦合，端鏡部分反射光，從而提高了靈敏度。圖片來源：Ramy El-Ganainy和Qi Zhong

調整微環(huán)傳感器的設計可提高其靈敏度，而不會增加實施復雜性。

光學傳感是光科學最重要的應用之一。它在天文學，環(huán)境科學，工業(yè)和醫(yī)學診斷中起著至關重要的作用。

盡管用于光學傳感的方案多種多樣，但它們都具有相同的原理：要測量的量必須在系統(tǒng)的光學響應上留下“指紋”。指紋可以是其透射，反射或吸收。這些影響越強，系統(tǒng)的響應就越強。

盡管這在宏觀層面上效果很好，但測量導致微弱響應的微小微觀量卻是一項艱巨的任務。研究人員已經(jīng)開發(fā)出克服這一困難并提高其設備靈敏度的技術。這些技術中的某些依賴于復雜的量子光學概念和實現(xiàn)，確實被證明是有用的，例如在LIGO項目中感測重力波。其他基于將光捕獲在稱為光學諧振器的小盒子中的方法，則已經(jīng)成功地檢測了微粒和相對較大的生物成分。

盡管如此，檢測小納米顆粒并最終檢測單個分子的能力仍然是一個挑戰(zhàn)。當前的嘗試集中在一種稱為微環(huán)或微環(huán)諧振器的特殊類型的光捕獲設備上，這些設備可以增強光與要檢測的分子之間的相互作用。但是，這些設備的靈敏度受到其基本物理原理的限制。

密歇根理工大學，賓夕法尼亞州立大學和中佛羅里達大學的物理學家和工程師們在《物理評論快報》上發(fā)表的文章“利用異常表面進行傳感以使靈敏度與魯棒性相結合”中，提出了一種新型的傳感器。它們基于特殊曲面的新概念：由特殊點組成的曲面。

異常敏感檢測的異常點

為了理解特殊點的含義，請考慮一個只有兩個弦的假想小提琴。通常，這種小提琴只能產生兩種不同的音調，這相當于傳統(tǒng)的光學諧振器。如果一根弦的振動可以某種方式改變另一根弦的振動，使得聲音和彈性振動僅產生一種音調和一種集體的弦運動，則該系統(tǒng)具有特殊的意義。

表現(xiàn)出特殊點的物理系統(tǒng)非常脆弱。換句話說，任何小的干擾都會極大地改變其行為。該功能使系統(tǒng)對微小信號高度敏感。

物理學副教授Ramy El-Ganainy表示：“盡管有這樣的承諾，但卓越的基于點的傳感器同樣具有增強的靈敏度，這也是他們的致命弱點：這些設備對不可避免的制造錯誤和不良的環(huán)境變化非常敏感�！膘`敏度要求在先前的實驗演示中有巧妙的調音技巧。

該論文的主要作者齊鐘說：“我們目前的建議通過引入一種新系統(tǒng)來緩解大多數(shù)此類問題，該系統(tǒng)具有與先前工作中報道的相同的增強的靈敏度，同時又能抵抗大多數(shù)不可替代的實驗不確定性。”一名研究生，目前正在密歇根理工學院攻讀博士學位。

盡管微環(huán)傳感器的設計仍在不斷完善，但研究人員希望通過改進設備，看起來很小的光學觀察會產生很大的影響。