В отличие от большинства датчиков, для которых шум является проблемой, которую необходимо подавлять, они обнаружили, что добавление только нужного количества фонового шума может фактически увеличить сигнал, слишком слабый для восприятия обычными датчиками, до уровня, который может достичь обнаруживаемости.
Хотя их датчик, основанный на двумерном материале, называемом дисульфидом молибдена, обнаруживает свет, тот же принцип может быть использован для обнаружения других сигналов, а поскольку он требует очень мало энергии и места по сравнению с обычными датчиками, в ближайшем будущем он может найти широкую адаптацию.
Интернет вещей (IoT). IoT развернет десятки миллионов датчиков для мониторинга условий в доме и на фабриках, а низкое энергопотребление станет сильным бонусом.
«Это явление часто наблюдается в природе», – говорит Саптарши Дас, доцент кафедры инженерных наук и механики. "Например, веслонос, живущий в мутной воде, не может на глаз найти себе пищу, которая представляет собой фитопланктон под названием Дафния. У веслоноса есть электрорецепторы, которые могут улавливать очень слабый электрический сигнал от дафний на расстоянии до 50 метров.
Если добавить немного шума, он может найти дафнию на 75 или даже 100 метрах. Эта способность увеличивает эволюционный успех этого животного."
Еще один интересный пример – жук-драгоценный камень, который может обнаружить лесной пожар на расстоянии 50 миль. Самый продвинутый инфракрасный детектор может обнаруживать только на расстоянии от 10 до 20 миль.
Это связано с феноменом, который используют эти животные, под названием стохастический резонанс.
«Стохастический резонанс – это явление, при котором слабый сигнал, который ниже порога обнаружения датчика, может быть обнаружен в присутствии конечного и подходящего количества шума», – говорит Ахил Додда, аспирант кафедры инженерных наук и механики. -первый автор новой статьи, опубликованной на этой неделе в Nature Communications.
В своей статье исследователи демонстрируют первое использование этого метода для обнаружения подпорогового фотонного сигнала.
Рассматривается одно возможное использование для войск в бою.
Военнослужащие в полевых условиях уже несут очень громоздкое снаряжение. Невозможно добавить тяжелое энергоемкое оборудование, необходимое для усиления подпорогового сигнала.
Их техника также применима в средах с ограниченными ресурсами или под океаном, где люди хотят отслеживать очень слабые сигналы. Его также можно использовать в вулканических местах или для своевременного мониторинга землетрясений, чтобы подавать сигнал тревоги.
"Кто бы мог подумать, что шум может играть конструктивную роль в обнаружении сигнала?
Мы бросили вызов традиции по обнаружению сигналов, которые иначе невозможно было бы обнаружить, с минимальным потреблением энергии. Это может открыть двери в совершенно неизведанную и игнорируемую область обнаружения сигналов с усилением шума ", – сказал Аарьян Оберой, аспирант кафедры инженерных наук и механики и соавтор статьи.
Их следующий шаг – продемонстрировать эту технику на кремниевом фотодиоде, что сделает устройство очень масштабируемым. По словам Даса, с помощью этой концепции можно улучшить любой современный датчик.