Новый тип датчиков, который удерживает в воздухе десятки стеклянных микрочастиц, может революционизировать точность и эффективность измерений, заложив основу для более совершенных автономных транспортных средств, навигации и даже обнаружения тёмной материи.
Используя камеру, созданную по принципу человеческого глаза, учёные из Королевского колледжа Лондона считают, что могут отслеживать более 100 плавающих частиц с помощью одного из самых чувствительных датчиков на сегодняшний день.
Левитирующие датчики обычно изолируют небольшие частицы, чтобы наблюдать и количественно оценивать воздействие на них внешних сил, таких как ускорение. Чем больше частиц можно возмутить и чем больше их изоляция от окружающей среды, тем более точным может быть датчик.
Способность точно отслеживать и управлять облаками, состоящими из множества датчиков, позволяет конструкции Королевского колледжа нарушить исторический выбор, который был у предыдущих устройств: быстрое отслеживание одного объекта или медленное отслеживание многих.
Профессор Джеймс Миллен, профессор физики в Королевском колледже и директор исследовательского центра King’s Quantum, сказал: «Часто невидимые, датчики лежат в основе многих современных технологий и науки. Более точные датчики означали бы, что автономные транспортные средства могут ориентироваться гораздо точнее, чем раньше, поскольку они обнаруживают малейшие изменения в ускорении и обеспечивают автономные навигационные системы, не зависящие от ненадёжных спутниковых соединений».
«Левитируя микрочастицы в вакууме, мы создали крошечный датчик невероятной чувствительности. Использование передовых технологий, вдохновлённых тем, как мозг интерпретирует зрение, позволяет нам контролировать движение датчиков на высокой скорости, что благодаря процессу охлаждения позволит нам использовать свойства квантовой механики, чтобы сделать наш датчик ещё более чувствительным. Это позволит нам исследовать невероятно слабые силы, участвующие в обнаружении гравитационных волн или тёмной материи в лаборатории».
Опубликованное в Nature Communications исследование использует нейроморфную или вдохновлённую мозгом событийно-ориентированную камеру для обнаружения движения массива микрочастиц, подвешенных в электромагнитных полях. Обнаруживая только движение микрочастиц, а не снимая видеокадры всего поля зрения, камера собирает только необходимую информацию. Использование алгоритма искусственного интеллекта позволяет исследователям отслеживать движение частиц как по отдельности, так и коллективно, в виде единого облака, чтобы понять все действующие на них силы. Это обеспечивает беспрецедентный уровень точности.
Такой подход создаёт минимальный объём данных, позволяя авторам генерировать сигналы обратной связи в режиме реального времени для управления движением каждой частицы в массиве. Контролируя движение микрочастиц, исследователи могут уменьшить их энергию, эффективно охлаждая их и стабилизируя движение.
Благодаря очень низкой энергии, используемой для питания этих устройств, команда считает, что существует значительный потенциал для увеличения количества частиц, которые датчик удерживает в воздухе, и интеграции технологии в чипы.
Доктор Юган Рен, бывший научный сотрудник Королевского колледжа и первый автор исследования, сказал: «Из-за низкого энергопотребления нашей технологии визуализации и алгоритмов, которые мы используем для отслеживания датчиков, реализация на компьютерных чипах может быть возможна в ближайшие пять-десять лет. Это означает, что всё: от мониторинга окружающей среды до потребительской электроники — может выиграть от более точных измерений, будь то вредные газы или отслеживание нашего местоположения».
«В будущем наш подход может помочь охладить частицы до температуры ниже тысячной доли градуса выше абсолютного нуля, самой низкой температуры, разрешённой квантовой физикой, устраняя тепловой шум и вибрации, которые мешают точности датчика. Это позволило бы создать квантовый датчик с точностью и чувствительностью, не имеющей аналогов в классической технологии, которую мы используем сегодня».
Предоставлено:
Королевский колледж Лондона
Levitating sensors typically isolate small particles to observe and quantify the impact of outside forces like acceleration on them. The higher the number of particles which could be disturbed and the greater their isolation from their environment, the more accurate the sensor can be.»,»By being able to both accurately track and control clouds made up of many sensors, the King’s design breaks the historical choice previous devices had between rapidly tracking a single object and slowly tracking many.»,»Professor James Millen, Professor of Physics at King’s and Director of the King’s Quantum research center, said, \»Often unseen, sensors lie at the heart of much of modern technology and science. More accurate sensors would mean that autonomous vehicles can find their way around far more accurately than before as they detect minute changes in acceleration and provide self-contained navigation systems that are not beholden to unreliable satellite connections.»,»\»By levitating microparticles in a vacuum, we’ve created a tiny sensor of incredible sensitivity. Our use of cutting-edge technology inspired by how the brain interprets vision allows us to control the motion of the sensors at high speed, which through a process of cooling would allow us to exploit properties of quantum mechanics to make our sensor even more sensitive. This would enable us to probe the incredibly weak forces involved in detecting gravitational waves or dark matter in the lab.\»»,»Published in Nature Communications, the study uses a neuromorphic or brain-inspired event-based camera to detect the motion of an array of microparticles suspended in electromagnetic fields. By detecting only how the microparticles move, rather than taking video frames of everything in the field-of-view, the camera gathers only the necessary information. Use of an AI algorithm then allows the researchers to track the motion of the particles both individually and collectively as a singular cloud, to understand all the forces acting on them. This allows for an unparalleled level of accuracy.»,»This approach produces a minimal amount of data, allowing the authors to generate real-time feedback signals to control the motion of each particle in the array. By controlling the motion of the microparticles, the researchers can reduce their energy, effectively cooling them and stabilizing their motion.»,»Due to the very low energy used to power these devices, the team believe there is significant room to scale up the number of particles the sensor levitates and integrate the technology onto chips.»,»Dr. Yugang Ren, formerly a postdoctoral researcher at King’s and first author of the study, said, \»Because of the low power usage of both our imaging technology and the algorithms we use to track the sensors, implementation onto computer chips could be possible in the next five to 10 years. This means everything from environmental monitoring to consumer electronics could benefit from more accurate sensing—whether that be of harmful gases or keeping track of where we are.»,»\»In the future, our approach could help cool particles to below a thousandth of a degree above absolute zero, the lowest possible temperature allowed by quantum physics, eliminating the thermal noise and vibrations which get in the way of a sensor’s accuracy. This would produce a quantum sensor with an accuracy and sensitivity unparalleled by the classical technology we use today.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tKing’s College London\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник