Группа исследователей из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и китайских университетов представила новую технологию, позволяющую создавать сенсоры с высокой чувствительностью. В основе разработки лежит использование уникальных состояний взаимодействия света и оптической системы, которые называются исключительными точками. Данные сенсоры могут быть применены при создании нового поколения измерительных приборов для экологического мониторинга, медицины и систем обнаружения вредных веществ. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Исключительная точка — это специфическое состояние, характеризующееся тем, что взаимодействие света и оптической системы способно вызвать повышенное поглощение или отражение светового потока. Специалисты из МФТИ и Китая впервые продемонстрировали возможность создания исключительных точек более высокого порядка в открытых рассеивающих структурах. Благодаря этому им удалось разработать газовый сенсор с высокой чувствительностью, способный регистрировать даже незначительные изменения в газовой среде.
«По словам Александра Шалина, главного научного сотрудника лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, предполагается, что данное исследование может способствовать выявлению новых физических явлений в неэрмитовой оптике и найти применение в сфере разработки датчиков.
Наибольшая трудность заключалась в обеспечении согласованного взаимодействия световых волн, приходящих с разных направлений. Для решения этой задачи физики использовали материал, обладающий близким к нулю показателем преломления, чтобы создать условия для требуемого волнового взаимодействия. Исследователи, используя трехканальную оптическую модель, получили три вида исключительных точек третьего порядка: лазерные, отражающие и поглощающие.
«По словам Александра Шалина, разработанная теоретическая модель демонстрирует, что в открытых рассеивающих системах можно добиться появления особых точек любой степени, в зависимости от количества каналов.
Используя эту модель, исследователи разработали схему газового сенсора, которая преобразует изменения в окружающей среде в электрический сигнал. Устройство функционирует на постоянной частоте и способно фиксировать даже незначительные концентрации газов, что делает его многообещающим для контроля качества воздуха или выявления вредных веществ.
Новый сенсор отличается высокой чувствительностью и демонстрирует отличную производительность при работе со слабыми сигналами. Благодаря этому он идеально подходит для задач, требующих высокой точности измерений. Кроме того, он удобен в использовании и не предполагает необходимости в сложной настройке.
В дальнейшем ученые намерены продолжить исследования, сосредоточив внимание на экспериментальной проверке теоретических положений и разработке сенсоров, функционирующих в реальном времени.
«Александр Шалин отметил, что они планируют углубить изучение особых точек высших порядков, распространив его на более широкие рассеивающие системы, которые не ограничиваются представленной здесь моделью. Это позволит создать более универсальную теоретическую базу.
Данная работа восполняет значительный пробел в области неэрмитовой оптики, что открывает возможности для существенного прогресса в разработке инновационных технологий, предназначенных для высокоточного оптического анализа.
В работе приняли участие специалисты из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Центра совместных инноваций Сучжоуской нанотехнологической школы, Сучжоуского городского университета, Цзянсуского университета науки и технологий и Нанкинского университета, все – в Китае).
Центр фотоники и двумерных материалов, расположенный в МФТИ — это – центр, специализирующийся на передовых исследованиях, где научные разработки трансформируются в технологии и решения, востребованные бизнесом и обществом. Он был создан в 2016 году и включает в себя десять лабораторий, занимающихся опережающими исследованиями, которые находят применение в промышленности и высокотехнологичных сферах, таких как энергетика, нефтегазохимия, телекоммуникации, IT, медицина и другие отрасли.
Научная статья: Выявление ультрачувствительных высших порядков особых точек посредством неэрмитовых материалов с нулевым показателем. Ян, Донгян и Шалин, Александр S. and Wang, Yongxing, Lai, Yun, Xu, Yadong, Hang, Zhi Hong, Cao, Fang, Gao, Lei и Luo, Jie; Phys. Rev. Lett., 134, 24, 2025; 10.1103/18gg-gvzc
Данные предоставлены Центром научной коммуникации Московского физико-технического института