北京理工大學(xué)在非厄米拓?fù)鋫鞲须娐费芯糠矫嫒〉弥匾M(jìn)展
發(fā)布日期：2023-04-26 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
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日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組、機電學(xué)院馮躍副教授課題組和集成電路與電子學(xué)院孫厚軍教授課題組開展合作，在基于經(jīng)典電路的非厄米拓?fù)鋫鞲衅餮芯糠矫嫒〉弥匾M(jìn)展。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Advanced Science [Adv. Sci. 2301128 (2023)]上。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃和北京理工大學(xué)科研水平和創(chuàng)新能力提升專項計劃的資助。北京理工大學(xué)物理學(xué)院袁昊博士(2020級)、張蔚暄副教授和機電學(xué)院周子隆博士(2020級)為論文的共同第一作者，張向東教授和馮躍副教授為共同通訊作者。
高精度傳感器在現(xiàn)代社會和工程技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。科學(xué)家基于不同物理系統(tǒng)，設(shè)計了依靠諧振結(jié)構(gòu)頻譜移動和劈裂的傳感器件。例如，具有超高品質(zhì)因子的光子微腔傳感器，其可用于監(jiān)測背景折射率的變化并實現(xiàn)單分子檢測。光機械傳感器能實現(xiàn)對弱非相干力的超靈敏檢測。特別的是，電子傳感器在監(jiān)測多種環(huán)境參數(shù)方面也能提供出色的性能。電子傳感器有多種類型，如電容式傳感器、阻抗光譜傳感器、表面聲波傳感器等。然而，這些電子傳感器的靈敏度往往受到低品質(zhì)因子LC諧振器的限制，其頻率移動和劈裂與擾動強度成線性相關(guān)。此外，現(xiàn)有電子傳感器的效率和精度也很容易受到制造缺陷和誤差的影響。因此，探索新的方案來設(shè)計具有高靈敏度和強魯棒性的電子傳感器，對下一代電子傳感技術(shù)具有重要意義。
研究亮點之一：理論構(gòu)建具有高靈敏度與強魯棒性的非厄米拓?fù)鋫鞲须娐?/p>
圖1. 非厄米拓?fù)潆娐返碾娐纺Ｐ图捌淅碚摻Y(jié)果。
近期理論研究表明，外界擾動導(dǎo)致的非厄米拓?fù)溥吔鐟B(tài)能譜移動，會隨著系統(tǒng)尺寸的增大指數(shù)增加[Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 180403]。基于這一特性，研究人員設(shè)計了具有高靈敏度和強魯棒性的非厄米拓?fù)鋫鞲心Ｐ?。如何將該新型傳感方案在真實的物理系統(tǒng)中實現(xiàn)是一個重要的問題?；陔娐肪W(wǎng)絡(luò)與緊束縛晶格的良好對應(yīng)，研究人員首次設(shè)計了基于非厄米拓?fù)潆娐返膫鞲心Ｐ?，如圖1a所示。圖1a插圖顯示了非互易電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及兩個子節(jié)點的接地情況。在圖1b中， 研究人員計算了電路的本征頻譜，證明了非厄米SSH模型所具有的拓?fù)淞隳苣Ｊ皆谒O(shè)計的電路中同樣存在。不僅如此，研究人員計算了非厄米拓?fù)潆娐分型負(fù)淞隳苣：推椒材５谋菊鲬B(tài)分布，如圖1c和1d所示?？梢钥闯觯?fù)淞隳苣：推接鼓Ｔ陔娐分卸汲尸F(xiàn)出邊界局域的特性，但二者的物理起源是不同的。拓?fù)淞隳苣５木钟蚺c所設(shè)計的電路拓?fù)涮匦悦芮邢嚓P(guān)，在子晶格對稱性的保護(hù)下，偶數(shù)子晶格的電壓幅值為零。不同的是，平庸的體模所呈現(xiàn)出的邊界局域是由非厄米趨膚效應(yīng)引起的。上述結(jié)果充分證明了研究人員所設(shè)計的電路與非厄米SSH模型具有相同的特征。為了進(jìn)一步證明該電路模型兼具高靈敏度與強魯棒性，研究人員通過引入邊界擾動，計算了不同無序程度下拓?fù)淞隳苣５念l移情況，如圖1e所示。上述結(jié)果清晰的顯示了，隨著非厄米拓?fù)潆娐烦叽绲脑黾樱吔鐢_動引起的拓?fù)淞隳苣５念l率偏移可以呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢，并且這種指數(shù)敏感性對無序具備很強的免疫特性。
研究亮點之二：實驗驗證非厄米拓?fù)潆娐返倪吔缑舾行?/p>
研究人員制備了四種不同長度的非厄米拓?fù)潆娐?，包括N=7、N=11、N=15和N=19。圖2a展示了N=19的電路樣品。通過測量電路阻抗相應(yīng)，可以得到由邊界擾動導(dǎo)致的電路拓?fù)淞隳苣ｎl移，如圖2c所示。四種不同顏色的線與四種不同長度的非厄米拓?fù)潆娐废鄬?yīng)，所測得的阻抗響應(yīng)均位于電路的邊界格點。此外，紅色矩形標(biāo)注了拓?fù)鋷兜念l率范圍，" 該頻率范圍內(nèi)的阻抗響應(yīng)顯示在了圖2d中。其中紅色虛線用來標(biāo)記開放邊界下電路中拓?fù)淞隳苣５念l率。上述結(jié)果清楚地表明，與拓?fù)淞隳苣?yīng)的阻抗峰的頻率偏移隨著電路長度的增加而明顯增加，這意味著電路長度的增加將帶來敏感性的顯著增強。圖2e中的藍(lán)線進(jìn)一步說明了測量的頻率偏移和電路長度之間的關(guān)系。與之相對應(yīng)的理論模擬結(jié)果（紅線所示）與實驗結(jié)果之間有著良好的一致性。
圖2. 非厄米拓?fù)潆娐返膶嶒灲Y(jié)果。
研究亮點之三：基于非厄米拓?fù)鋫鞲须娐返亩喾N物理量高靈敏識別
為了檢驗制備的非厄米拓?fù)鋫鞲须娐沸?，研究人員又制備了依賴于位移、旋轉(zhuǎn)角度和液位三種物理量電容器，如圖3a、3d和3g所示，目的是真實感知位移、旋轉(zhuǎn)角度和液位三個物理量。位移和轉(zhuǎn)角電容器采用平行電極板構(gòu)型，其中電容大小與位移和轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系，如圖3b和3e所示。液位電容器則采用平面叉指電極構(gòu)型。當(dāng)液面接觸到電極后，液位的提升引起電容線性增加，如圖3h所示。通過將電容器連接到拓?fù)潆娐返氖孜矁啥耍锢砹康奈⑿∽兓梢酝ㄟ^觀察阻抗頻率的移動來識別。圖3c、3f和3i分別展示了位移、轉(zhuǎn)角和液位三種物理量變化引起的頻移，其中紅色和綠色菱形分別對應(yīng)于N=19和N=11非厄米拓?fù)潆娐返慕Y(jié)果，藍(lán)色菱形對應(yīng)N=19的厄米SSH拓?fù)潆娐?。可以看出N=19的非厄米拓?fù)潆娐访舾行?，遠(yuǎn)大于N=11的非厄米拓?fù)潆娐泛蚇=19的厄米拓?fù)潆娐?。具體的靈敏度之比約為108：50：1。這些結(jié)果清楚地證明了非厄米拓?fù)潆娐穫鞲衅髟趯崿F(xiàn)不同物理量的超靈敏識別方面的有效性。
圖3. 基于非厄米拓?fù)鋫鞲须娐?，實現(xiàn)對位移、角度和液位的超靈敏識別。
在這項工作中，研究人員從理論上設(shè)計并在實驗上制造了一個具有卓越性能的電子傳感器。該傳感器的靈敏度隨著器件尺寸增加指數(shù)增長，并且呈現(xiàn)出對無序免疫的特性。通過將這種非厄米拓?fù)鋫鞲衅髋c三個自制的前端電容相結(jié)合，研究人員在實驗中驗證了其對位移、旋轉(zhuǎn)角度和液位三種物理量的超靈敏識別。
事實上，未來將上述電路結(jié)構(gòu)集成在芯片中去實現(xiàn)傳感功能將具備更多優(yōu)勢。例如，在自由度方面，芯片中的所有組件都是完全可配置的。在這種情況下，研究人員可以根據(jù)設(shè)備的要求優(yōu)化每個組件，以實現(xiàn)更穩(wěn)定的輸出阻抗響應(yīng)。此外，研究人員還可以利用開關(guān)陣列來實現(xiàn)對實驗中所用參數(shù)的精確調(diào)節(jié)，如電容、電感、運算放大器的增益和帶寬。在頻率移動范圍方面，通過使用芯片級的電容和電感，電路中拓?fù)淞隳苣５念l率移動范圍可以被放大數(shù)千倍。就傳感能力而言，在PCB平臺上，當(dāng)前端電容與PCB中的寄生電容處于相同數(shù)量級時，弱耦合的大小是很難被準(zhǔn)確識別的。因此，減少寄生效應(yīng)在超靈敏傳感器的設(shè)計中尤為重要。考慮到芯片中元件之間的距離極短、寄生效應(yīng)極弱，集成在芯片中的非厄米拓?fù)潆娐房梢跃邆渥吭降淖R別弱物理量的能力。最后，在噪聲的影響方面，由于所有的電路元件都可以精確配置，以至于噪聲對阻抗譜的影響可以在芯片中得到準(zhǔn)確預(yù)測。因此出于以上方面的考慮，該項工作顯示了設(shè)計下一代電子傳感器的令人興奮的前景。
論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301128
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