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耦合，從而提高了靈敏度。調整微環(huán)傳感器的設計可以在不增加實(shí)現復雜性的情況下提高其靈敏度。光學(xué)傳感是光科學(xué)*重要的應用之一。它在天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)、工業(yè)和醫學(xué)診斷中起著(zhù)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：要測量的數量必須在系統的光學(xué)響應上留下“光譜”。指紋可以是它的透射、反射或吸收。這些效應越強，系統的響應就越強。

雖然這在宏觀(guān)層面上很有效，但是測量引起弱響應的微小的微觀(guān)量是一項具有挑戰性的任務(wù)。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出技術(shù)來(lái)克服這一困難，提高設備的靈敏度。其中一些技術(shù)依賴(lài)于復雜的量子光學(xué)概念和實(shí)現，事實(shí)證明是有用的，例如在激光干涉引力波天文臺項目（LIGO）中感應引力波。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)成功地探測到了微粒子和相對較大的生物成分。

然而，檢測小納米顆粒和*終單個(gè)分子的能力仍然是一個(gè)挑戰。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，它們增強了光與被檢測分子之間的相互作用。然而，這些裝置的靈敏度受到基礎物理的限制。

密西根理工大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)和中佛羅里達大學(xué)的物理學(xué)家和工程師在他們發(fā)表在《物理評論快報Physical Review Letters》上的文章“用特殊表面感知以將靈敏度與魯棒性結合起來(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

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——一種對應于傳統光學(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)音調和一個(gè)集體弦運動(dòng)，那么系統就有一個(gè)例外點(diǎn)。

一個(gè)表現出特殊點(diǎn)的物理系統是非常脆弱的。換句話(huà)說(shuō)，任何微小的擾動(dòng)都會(huì )顯著(zhù)地改變它的行為。該特性使系統對微小信號高度敏感。

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)：這些設備對不可避免的制造誤差和不希望出現的環(huán)境變化非常敏感?！彼€補充說(shuō)，此外，在之前的實(shí)驗演示中，靈敏度需要巧妙的調優(yōu)技巧。

“我們目前的建議通過(guò)引入一個(gè)新的系統來(lái)緩解這些問(wèn)題，該系統具有與之前工作中報告的相同的增強靈敏度，同時(shí)對大多數不可克服的實(shí)驗不確定性具有強大的抵抗力，”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)傳感器的設計仍在不斷改進(jìn)，但研究人員希望通過(guò)改進(jìn)這些設備，看似微小的光學(xué)觀(guān)測將產(chǎn)生巨大的影響。