超越传统奇异点，传感灵敏度提升几个数量级 | 北理工张向东组NSR
知社学术圈
2024-09-02 11:29
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在近期发表于《国家科学评论》（
National Science Review
, NSR）的一篇论文中，北京理工大学
张向东
教授等
将非互易长程耦合引入到非厄米系统中，重构出一种新型基于奇异点的
超灵敏传感系统
，并制造了一个电路传感器来演示该方案。与传统基于奇异点的传感器相比，
这种重构传感器的灵敏度提高了几个数量级。
本研究由
张向东
教授（教育部先进光电子量子结构与测量重点实验室、北京纳米光子学与微纳光电子学重点实验室、北京理工大学）牵头，理论方案和推导由
陈天
副教授执行，实验由
邹德源
助理教授实现。
传感器的灵敏度问题一直备受关注，为了突破现有传感器的灵敏度，科学家们在设计中引入了许多新的物理机制。一种传统的方法是将非厄米简并奇异点引入到传感器设计中，从而达到高灵敏度。但这种传感器灵敏度的上限受到非厄米简并阶数的限制。如何提高灵敏度，使其超越传统的基于非厄米奇异点的传感器的性能，成为当今一项具有挑战性的任务。
在这项研究中，研究人员试图确定是否可以克服传统的基于非厄米简并奇异点传感器的限制。在围绕非厄米奇异点进行了精细的重构后，
他们发现在引入了与链长成幂律关系的长程非互易耦合后，得到的传感器灵敏度超越了传统的基于奇异点传感器的灵敏度限制。
与基于六阶非厄米奇异点的传感器相比，该重构系统在相同阶奇异点附近的灵敏度提高了三个数量级。
张向东教授说：“这种设计相当简单，但传感器效果却足够好。”
左：新型重构传感器中的长程非互易耦合。右：与基于非厄米奇异点的传感器相比，新型重构传感器的探测结果。
研究人员还根据上述原理，
制造出了相应的新型重构电路传感器，并实验证明了其在检测微小物理量方面的灵敏度提升。
新型重构传感器的电路实现
实验检测中，研究者实现了：
①极小电容的测量
，即基于重构传感器，可以精确测出电容器中1pF的最小电容变化；
②极小位移的测量
，即基于该传感器测量了两个75*200mm电极板之间的极小位移，可以精确地确定0.75mm相对位移的变化。
该电路重构传感器可实现极小物理量的观测
张向东教授说：
“在电路上的这些实验结果说明，我们的重构系统在检测微小物理量方面具有令人难以置信的优异性能。这种新设计
可以很容易地扩展到基于芯片实现的电路传感器
。在芯片上的实现有三个主要优点：第一是电路器件易于调节；第二是芯片上的寄生效应基本可以忽略；第三是提高了芯片工作频率。考虑到这三个优势，我们基于经典电路实现的重构方法将可以在电路芯片上实现更强大的新型超灵敏传感器。”。
传感器在现代社会中具有基础性的重要和广泛的应用，如工业和环境监测、生物医学样品成分分析、无线网络等。
该文章设计并制造的新型重构传感器为高灵敏度传感器的发展铺平了道路，未来有望在各个领域广泛应用。