Коллектив ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и университетов Китая разработал инновационную технологию для создания сверхчувствительных сенсоров. Их открытие основано на использовании особых состояний взаимодействия света и оптической системы, известных как исключительные точки. Они могут найти применение в разработке нового поколения датчиков для экологии, медицины и системах защиты от опасных веществ. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Исключительная точка — это особое состояние, при котором взаимодействие света и оптической системы может привести к усиленному поглощению или отражению света. Ученые из МФТИ и Китая впервые показали возможность реализации исключительных точек высших порядков в открытых рассеивающих системах. Это позволило им разработать сверхчувствительный газовый сенсор, детектирующий даже малейшие изменения в составе газа.
«Мы ожидаем, что эта работа может привести к открытию новых физических явлений в неэрмитовой оптике и потенциальных приложений в области сенсорики»,— поделился Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Основная сложность состояла в том, чтобы получить согласованное взаимодействие световых волн, падающих с разных сторон. Физики решили эту задачу, применив материал с почти нулевым показателем преломления в качестве платформы для реализации необходимого волнового взаимодействия. На примере трехканальной оптической модели ученые получили три типа исключительных точек третьего порядка: лазерные, отражающие и поглощающие.
«Наша теоретическая модель показывает, что в принципе в открытых рассеивающих системах возможно получить исключительные точки произвольного порядка в зависимости от числа каналов»,— объяснил Александр Шалин.
На основе этой модели ученые предложили схему газового сенсора, преобразующего изменения в среде в электрическую энергию. Он работает на фиксированной частоте и улавливает даже низкие концентрации газов, что делает его перспективным для мониторинга воздуха или обнаружения опасных веществ.
Рисунок. Схема газового датчика, использующего трехканальную неэрмитову модель. Источник: журнал Physical Review Letters
Новый сенсор очень чувствительный и особенно эффективен при обнаружении слабых сигналов. Это делает его идеальным для задач, где важна точность измерения. При этом он прост в использовании и не требует сложной настройки.
Ученые планируют дальнейшие разработки в этой области, а именно: экспериментальное подтверждение теоретических результатов и создание сенсоров, которыми можно управлять в режиме реального времени.
«Мы стремимся расширить исследование исключительных точек высших порядков на более общие рассеивающие системы, выходящие за рамки предложенной здесь модели, с целью разработки более универсальной теоретической основы»,— поделился планами Александр Шалин.
Это исследование заполняет фундаментальный пробел в неэрмитовой оптике, который может позволить сделать качественный скачок в создании новых технологий для сверхточного оптического анализа.
_______________________________
Исследование провел коллектив ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Центра совместных инноваций Сучжоуской нанотехнологической школы, Сучжоуского городского университета, Цзянсуского университета науки и технологий и Нанкинского университета (Китай).
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
Научная статья: Ultrasensitive Higher-Order Exceptional Points via Non-Hermitian Zero-Index Materials. Yan, Dongyang and Shalin, Alexander S. and Wang, Yongxing and Lai, Yun and Xu, Yadong and Hang, Zhi Hong and Cao, Fang and Gao, Lei and Luo, Jie; Phys. Rev. Lett.,134, 24, 2025; 10.1103/18gg-gvzc
