Пьезоэлектрики ускорят разработку сверхчувствительных датчиков

Коллектив ученых из Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Московского физико-технического института и лаборатории «Метаматериалы» Саратовского государственного университета достиг значительного прогресса в разработке сенсорных технологий. Они теоретически исследовали распространение щелевых сдвиговых волн в квази-PT-симметричной структуре пьезоэлектриков и продемонстрировали возможность создания сверхчувствительных датчиков на их основе. Результаты исследования опубликованы в «Акустическом журнале» РАН.

Акустические волны и их роль в сенсорных технологиях
Акустические волны уже давно применяются в приборах для мониторинга состояния конструкций, неразрушающего контроля, манипуляций с микрообъектами, а также в микроэлектромеханических системах. Пьезоэлектрики, в которых акустические и электрические свойства тесно связаны, позволяют гибко управлять спектральными характеристиками волн. Это открывает новые перспективы для создания высокочувствительных сенсоров и детекторов.
Ранее уже проводились исследования щелевых электроакустических волн, пригодных для датчиков, способных измерять параметры материалов и жидкостей, а также выявлять микроорганизмы и вирусы. Однако до сих пор не изучалось поведение таких волн в условиях неодинаковых уровней потерь и усиления в пьезоэлектриках, что делает систему квази-PT-симметричной.

Квази-PT-симметрия и её значение
PT-симметрия (от англ. parity-time symmetry) — это особый вид симметрии, при котором система остается неизменной при одновременной инверсии пространственных координат (P — парность) и времени (T — time). В PT-симметричных системах потери и усиление сбалансированы, что приводит к появлению особой точки в спектре колебаний — так называемой точки вырождения. В квази-PT-симметричных системах этот баланс частично нарушается, что дает возможность управлять характеристиками волн.

Исследование щелевых электроакустических волн
В своем исследовании российские ученые сосредоточились на анализе щелевых электроакустических волн в пьезокристаллах. В таких материалах распространяются сдвиговые волны, характеризующиеся поперечным смещением частиц среды. Связь между двумя пьезоэлектрическими кристаллами обеспечивается электрическими полями в вакуумном зазоре, которые возбуждают электроакустические волны.

Этот подход позволяет достичь высокой чувствительности датчиков, поскольку квази-PT-симметричные системы обладают уникальными спектральными свойствами, которые можно использовать для точного измерения физических параметров.

Перспективы технологии
Развитие сенсоров на основе квази-PT-симметричных пьезоэлектриков открывает новые возможности в областях медицины, промышленной диагностики и мониторинга окружающей среды. Такие датчики могут стать ключевыми элементами в системах раннего обнаружения изменений в материалах и биологических образцах, обеспечивая высокую точность и быстродействие.
Исследование российских ученых демонстрирует, что фундаментальные физические принципы могут быть успешно использованы для разработки инновационных технологий, способных изменить современные подходы к сенсорике и детектированию.

Источник: Разработка сверхчувствительных датчиков ускорится на пьезоэлектриках — За науку