据美国密歇根理工大学官网近日报道，该校与宾夕法尼亚州立大学以及中佛罗里达大学的物理学家和工程师提出了一种高灵敏度的新型光学传感器。光学传感是光科学领域最重要的应用之一。它在天文学、环境科学、工业以及医疗诊断等领域都发挥着关键作用。尽管光学传感所用的方案有很多种，但是它们都分享着同一原则：被测量的物理量必须在系统的光学响应上留下一个“指纹”。这个“指纹”可以是光线的传输、反射或者吸收。这些效应越强，系统的响应就越强。

虽然这种测量在宏观水平表现得很好，但是测量诱发微弱响应的微观物理量是一项极具挑战性的任务。研究人员们开发了各种技术，以克服这个困难并提升他们设备的灵敏度。其中一些依赖于复杂的量子光学概念和工具的技术是有用的，例如 LIGO 项目中的引力波感知。其余的一些技术，基于在称为“光学谐振器”的微型盒子中囚禁光线，成功检测出微型粒子和相对较大的生物成分。

（图片来源：宋青海，哈尔滨工业大学）

尽管如此，实现检测小型纳米颗粒以及最终检测单分子的能力，仍然颇具挑战性。目前的尝试集中在一种特殊的光陷阱装置，它也称为“微环谐振器“。这些装置改善了光线与要检测的分子之间的相互作用。然而，这些装置的灵敏度受到基础物理学的限制。

（图片来源：S. Kelley/NIST）

美国密歇根理工大学、宾夕法尼亚州立大学以及中佛罗里达大学的物理学家和工程师，在《物理评论快报（Physical Review Letters）》期刊上，发表了一篇题为《Sensing with Exceptional Surfaces in Order to Combine Sensitivity with Robustness》的论文。论文中，他们提出了一种新型传感器。他们的研究是基于特殊表面（由特殊点组成的表面）的新概念。下图所示：基于特殊表面的传感器。这种微环谐振器通过部分反光的端反射镜与波导发生耦合，从而提升光线灵敏度。

（图片来源： Ramy El-Ganainy 和 Qi Zhong）

为了理解特殊点的含义，我们可以想象一个具有两根弦的小提琴。大体上，这个小提琴可以产生两种不同的音调，这种情况对应于传统的光学谐振器。如果一根弦的振动能以一种方式（声音和弹性振动仅产生一个音调以及一个共同的弦运动）改变另外一根弦的振动，那么系统就具有特殊点。

具有特殊点的物理系统非常脆弱。换句话说，任何小扰动都会显著地改变其行为。这个特征使得系统对任何信号都高度敏感。物理系副教授 Ramy El-Ganainy 表示：“尽管如此，基于特殊点的传感器的这种提升的灵敏度，同样也是其致命弱点。这些设备对于无法避免的制造误差以及不希望有的环境变化都非常敏感。”他接着说，灵敏度使得之前实验演示的调谐技巧变得不可或缺。

论文领导作者、目前正在密歇根理工大学攻读博士学位的研究生 Qi Zhong 表示：“我们目前的提案减轻了由于引入新系统所带来的大部分问题，新系统的灵敏度与之前工作所报告的提升的灵敏度一致，同时不会受到大多数不可避免的实验不确定性的影响。”尽管微环传感器被持续地重新定义，但研究人员希望的是，改善设备之后，微小的光学观测将产生巨大的效应。