Коллектив учёных из Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Московского физико-технического института и лаборатории «Метаматериалы» Саратовского государственного университета совершил значительный прорыв в области сенсорных технологий.  Они теоретически исследовали распространение щелевых сдвиговых волн в квази-PT-симметричной структуре пьезоэлектриков и показали возможность создания сверхчувствительных датчиков на их основе. Работа опубликована в «Акустическом журнале» РАН.

Акустические волны уже давно применяются в различных устройствах. Их используют для мониторинга состояния конструкций, неразрушающего контроля, манипулирования микрообъектами, в работе микроэлектромеханических систем.  Использование пьезоэлектриков, в которых акустические и электрические свойства тесно связаны между собой, открывает дополнительные возможности управления спектральными свойствами акустических волн, что может быть применено, в первую очередь, для разработки чувствительных сенсоров и детекторов. Ранее были теоретически и экспериментально исследованы щелевые электроакустические волны, потенциально применимые в датчиках для измерения параметров материалов, жидкостей, а также для обнаружения микроорганизмов и вирусов.  Однако, до настоящего времени не рассматривалась ситуация с неодинаковыми уровнями потерь и усиления в пьезоэлектриках, которые являются квази-PT-симметричной структурой.

PT-симметрия — это симметрия относительно одновременного обращения координат (P — parity) и времени (T — time).  В PT-симметричной системе сбалансированные потери и усиление компенсируют друг друга. В спектре такой системы есть особая точка (значение частоты волны), в которой собственные колебания переходят в затухание, она также называется точкой вырождения. Симметрия называется квазисимметрией, потому что вблизи этой точки она нарушается, вследствие чего нарушается сам баланс усиления и потерь, который необходим для работы волноводов.

Коллектив российских учёных исследовал щелевые электроакустические волны. В пьезокристаллах распространяются сдвиговые волны, которые характеризуются поперечным смещением частиц среды. Связь между двумя пьезоэлектрическими кристаллами осуществляется благодаря электрическим полям в вакуумном зазоре, которые возбуждают электроакустические волны. 

Ключевым моментом нового исследования является то, что они рассмотрели модель, в которой уровни усиления и затухания в этих материалах различны, что отличает данную модель от ранее исследованных PT-симметричных систем. Это различие важно с практической точки зрения, так как точное совпадение этих уровней нелегко реализовать физически. Учёные получили дисперсионное уравнение, описывающее распространение электроакустических волн в данной структуре.

Численное решение дисперсионного уравнения показало, что в зависимости от уровня дисбаланса усиления и потерь спектры сдвиговых волн могут демонстрировать пересечение, касание или сближение двух мод в точке их вырождения.  Авторы установили, что пересечение происходит только при равных уровнях потерь и усиления (идеальная PT-симметрия).  В квази-PT-симметричной системе (при небольшой разнице между усилением и затуханием) частотная зависимость амплитуды в точке вырождения имеет очень узкий максимум.  

Спектры были рассчитаны для двух материалов: титаната бария и фресноита.

Очень узкий максимум амплитуды наиболее интересен с точки зрения практических приложений, так как открывает возможность создания сверхчувствительных датчиков.  

«Мы продемонстрировали, что даже квази-PT-симметричная структура, с неидеальным балансом усиления и потерь, может обладать всеми свойствами PT-симметричной структуры, в том числе очень узким резонансным пиком, — прокомментировал Сергей Никитов, академик РАН, директор ИРЭ РАН, заведующий кафедрой электроники МФТИ. — Это открывает новые перспективы создания сверхчувствительных датчиков».

«Полученные нами результаты открывают новые направления исследований, — рассказал Дмитрий Калябин, доцент кафедры электроники МФТИ, руководитель лаборатории магнонной спинтроники ИРЭ РАН. — Например, экспериментальную верификацию теоретических предсказаний, оптимизацию структуры для достижения максимальной чувствительности датчиков и разработку новых типов датчиков».

Источник: «За науку».