Исследовательская команда Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с ведущими университетами Китая совершила технологический прорыв, создав сенсоры нового типа для точнейшего анализа газа. Новая разработка основана на уникальных состояниях взаимодействия света и оптических систем — так называемых исключительных точках. Внедрение этого инновационного подхода открывает перспективы создания высокоточных сенсоров для мониторинга окружающей среды, медицины и защиты от вредных веществ. Эти технологии способны кардинально улучшить методы анализа состава газовых смесей, повысив как чувствительность, так и надежность устройств.
Что такое исключительные точки и почему это важно
В основе разработки лежит понятие исключительных точек, при которых взаимодействие электро-магнитного поля и оптической среды приводит к необычайно высокому усилению или подавлению оптических эффектов. Это позволяет фиксировать даже малейшие изменения в составе исследуемого газа — возможности, которые до сих пор оставались недостижимыми для традиционных сенсоров. Ученые впервые реализовали исключительные точки третьего и высших порядков именно в открытых рассеивающих системах, что открыло путь к созданию сенсоров с невиданной ранее чувствительностью.
Как создавался уникальный сенсор
Одной из ключевых задач было обеспечение стабильного и согласованного взаимодействия световых волн, приходящих с разных направлений на специальную оптическую платформу. Для этого физики выбрали материал с практически нулевым показателем преломления, который позволил реализовать нужные условия для генерации исключительных точек нужного порядка. На примере трехканальной системы были выявлены и классифицированы уникальные состояния типа лазерных, отражающих и поглощающих исключительных точек третьего порядка. Такая оптическая архитектура в открытых системах обеспечивает получение точек произвольного порядка, которые можно использовать для сверхчувствительной детекции малейших изменений в среде.
Преимущества новой технологии
Созданный на новой платформе газоанализатор способен фиксировать сверхнизкие концентрации различных компонентов в воздухе и других газообразных средах. Сенсор преобразует даже минимальные изменения состава в четкий электрический сигнал, работая на строго определенной частоте. Это особенно важно для экологии, систем промышленного мониторинга и безопасности. Простота использования и отсутствие необходимости в сложной настройке делают такие сенсоры доступными для широкого внедрения.
Еще одной важной особенностью нового решения стало то, что, несмотря на экстремально высокую чувствительность, сенсор остается устойчивым к внешним воздействиям и может применяться вне лабораторий — например, в мобильных системах мониторинга, на промышленных объектах или даже в медицинских устройствах.
Будущее сенсорики и новые горизонты исследований
Перед научной группой теперь стоит задача экспериментально подтвердить вычисленные теоретические модели и создать прототипы сенсоров с дистанционным и автоматическим управлением в реальном времени. Продолжение работ направлено на расширение теоретической платформы и внедрение уникальных исключительных точек в более сложные многоуровневые рассеивающие системы. Это может привести к запуску новых технологий в самых разных отраслях — от безопасного производства и промышленной диагностики до медицины будущего, где точность играет ключевую роль.
Фундаментальные исследования в области неэрмитовой оптики, которые ведут специалисты Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, формируют основу для новых поколений приборов для анализа газов с недостижимой прежде точностью. Таким образом, открыты горизонты для дальнейших технологических революций, которые, несомненно, повлияют на качество жизни на планете и безопасность общества.
Кто стоит за инновацией: Центр фотоники МФТИ
Уникальные разработки стали возможны благодаря объединению усилий специалистов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и партнеров из ведущих китайских научных школ. В исследовании принимали участие ученые и инженеры Центра совместных инноваций Сучжоуской нанотехнологической школы, Сучжоуского городского университета, Цзянсуского университета науки и технологий, а также Нанкинского университета.
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ был создан в 2016 году и за короткое время превратился в центр мирового уровня в области исследований и внедрения новых оптических технологий. В структуру Центра входит десять лабораторий, занимающихся фундаментальными и прикладными исследованиями для промышленности, энергетики, медицины, IT, нефтегазового комплекса, телекоммуникаций и других высокотехнологичных отраслей. Здесь талантливые молодые ученые совместно с признанными экспертами формируют научную и технологическую повестку будущего.
Большие перспективы для бизнеса, науки и общества
Открытие и реализация исключительных точек высших порядков в открытых рассеивающих платформах — это не только шаг вперед в науке, но и старт для коммерциализации инновационных сенсорных систем. Новое поколение сенсоров, разработанных на платформе Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, открывает путь к формированию интеллектуальных систем мониторинга для городской среды, экологии, умных заводов и здравоохранения. Это доказывает, что российская и международная научная кооперация способны решать самые сложные задачи современности и формировать облик высокотехнологичного будущего.
Информация предоставлена Центром научной коммуникации МФТИ.
Источник: scientificrussia.ru
