Чтобы датчик получился лучше, просто добавьте шум

Добавление шума для усиления слабого сигнала - это обычное явление в животном мире, но необычное для датчиков, созданных руками человека. Теперь исследователи из Пенсильванского университета добавили небольшое количество фонового шума для усиления очень слабых сигналов в источнике света, слишком тусклом для восприятия.

В отличие от большинства датчиков, для которых шум 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, может найти широкую адаптацию в ближайшем будущем. Интернет вещей (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 (Saptarshi Das), доцент кафедры инженерных наук и механики. - Например, веслонос, живущий в илистых водах, не может фактически найти себе пищу, которая представляет собой фитопланктон, называемый дафниями, на вид. У веслоноса есть электрорецепторы, которые могут улавливать очень слабый электрический сигнал от дафний на расстоянии до 50 метров. Если вы добавьте немного шума, он может найти дафний на 75 или даже 100 метрах. Эта способность способствует эволюционному успеху этого животного».

Другой интересный пример – жуки златки, которые могут обнаружить лесной пожар на расстоянии 50 миль. Самый продвинутый инфракрасный детектор может обнаруживать его только на расстоянии от 10 до 20 миль. Это происходит из-за явления стохастического резонанса, которое используют эти насекомые.

«Стохастический резонанс - это явление, когда слабый сигнал, который ниже порога обнаружения датчика, может быть обнаружен в присутствии конечного и подходящего количества шума», - говорит Ахил Додда (Akhil Dodda), аспирант кафедры инженерных наук и механики, первый автор новой статьи, опубликованной в Nature Communications.

В своей статье исследователи демонстрируют первое использование этой техники 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 водой, где люди хотят отслеживать очень слабые сигналы. Датчик также можно использовать в вулканических районах или для своевременного мониторинга землетрясений, чтобы подать сигнал тревоги.

«Кто бы мог подумать, что шум может играть конструктивную роль в обнаружении сигналов? Мы бросили вызов традиции обнаруживать иным образом необнаруживаемые сигналы с минимальным потреблением энергии. Это может открыть двери в совершенно неизведанную и игнорируемую область обнаружения сигналов с усилением шума», - сказал Аарян Оберой (Aaryan Oberoi), 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 доц. Даса, с помощью этой концепции можно улучшить любой современный датчик.