Щелевые сдвиговые волны в квази PT-симметричной пьезоэлектрической гетероструктуре вблизи точки вырождения мод

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Теоретически исследовано распространение щелевых сдвиговых волн в квазисимметричной структуре пьезоэлектриков класса симметрии 4mm. Было показано, что учет неодинакового уровня потерь и усиления в пьезоэлектриках приводит в спектре сдвиговых волн либо к пересечению, либо к касанию, либо к сближению двух мод в точке их вырождения (особой точке). Установлено, что пересечение спектров мод происходит только в случае равных значений потерь и усиления (PT-симметричная структура). Исходя из этого, делается вывод, что по характеру спектров вблизи особой точки можно определять уровень дисбаланса усиления и потерь в пьезоэлектрических волноводах. Как и в случае чисто PT-симметричной структуры, частотная зависимость амплитуды в исключительной точке квази PT-симметричной структуры (при достаточно небольшой разнице в уровнях потерь и усиления) обладает очень узким пиком, что открывает возможность создания сверхчувствительных датчиков на их основе. Таким образом, продемонстрировано, что даже при неодинаковых уровнях потерь и усиления в пьезоэлектриках (квази PT-симметричная структура) можно получить структуру, обладающую всеми свойствами PT-симметричной структуры.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. А. Вилков

Фрязинский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: e-vilkov@yandex.ru
Россия, Фрязино

О. А. Бышевский-Конопко

Фрязинский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Email: e-vilkov@yandex.ru
Россия, Фрязино

Д. В. Калябин

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН; Московский физико-технический институт

Email: e-vilkov@yandex.ru
Россия, Москва; Долгопрудный

С. А. Никитов

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН; Московский физико-технический институт; Саратовский государственный университет

Email: e-vilkov@yandex.ru
Россия, Москва; Долгопрудный; Саратов

Список литературы

  1. Miao H., Li F. Shear horizontal wave transducers for structural health monitoring and nondestructive testing: A review // Ultrasonics. 2021. V. 114. P. 106355.
  2. Xu D., Cai F., Chen M., Li F., Wang C., Meng L., Xu D., Wang W., Wu J., Zheng H. Acoustic manipulation of particles in a cylindrical cavity: Theoretical and experimental study on the effects of boundary conditions // Ultrasonics. 2019. V. 93. P. 18–25.
  3. Peng X., He W., Xin F., Genin G.M., Lu T.J. The acoustic radiation force of a focused ultrasound beam on a suspended eukaryotic cell // Ultrasonics. 2020. V. 108. P. 106205.
  4. Zeng L., Zhang J., Liu Y., Zhao Y., Hu N. Asymmetric transmission of elastic shear vertical waves in solids // Ultrasonics. 2019. V. 96. P. 34–39.
  5. Shi P., Chen C.Q., Zou W.N. Propagation of shear elastic and electromagnetic waves in one dimensional piezoelectric and piezomagnetic composites // Ultrasonics. 2015. V. 55. P. 42–47.
  6. Vinyas M. Computational Analysis of Smart Magneto-Electro-Elastic Materials and Structures: Review and Classification // Arch. Computat. Methods. Eng. 2021. V. 28. P. 1205–1248.
  7. Avetisyan A.S. Electroacoustic Waves in Piezoelectric Layered Composites, in Advanced Structured Materials, Switzerland: Springer Cham, 2023. V. 182. 223 p.
  8. Monsivais G., Otero J.A., Calás H. Surface and shear horizontal waves in piezoelectric composites // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 064101.
  9. Darinskii A.N., Shuvalov A.L. Existence of surface acoustic waves in one-dimensional piezoelectric phononic crystals of general anisotropy // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. P. 174305.
  10. Shuvalov A.L., Gorkunova A.S. Transverse acoustic waves in piezoelectric and ferroelectric antiphase superlattices // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 9070.
  11. Гуляев Ю.В., Плесский В.П. Щелевые акустические волны в пьезоэлектрических материалах // Акуст. журн. 1977. Т. 23. № 5. С. 716–723.
  12. Балакирев М.К., Горчаков А.В. Связанные поверхностные волны в пьезоэлектриках // ФТТ. 1977. Т. 19. № 2. С. 613–614.
  13. Pyatakov P.A. Shear horizontal acoustic waves at the boundary of two piezoelectric crystals separated by a liquid layer // Acoust. Phys. 2001. V. 47. № 6. P. 739–745.
  14. Dvoesherstov M. Yu., Cherednik V.I., Petrov S.G., Chirimanov A.P. Numerical analysis of the properties of slit electroacoustic waves // Acoust. Phys. 2004. V. 50. № 6. P. 670–676.
  15. Guliy O., Zaitsev B., Teplykh A., Balashov S., Fomin A., Staroverov S., Borodina I. Acoustical Slot Mode Sensor for the Rapid Coronaviruses Detection // Sensors. 2021. V. 21. № 5. P. 1822.
  16. Гулий О.И., Зайцев Б.Д., Ларионова О.С., Алсовэйди А.М., Караваева О.А., Петерсон А.М., Бородина И.А. Анализ антибактериальной активности амоксициллина биологическим датчиком с щелевой акустической волной // Антибиотики и Химиотерапия. 2021. Т. 66. № 1–2. С. 12–18.
  17. Borodina I.A., Zaitsev B.D., Burygin G.I., Guliy O.I. Sensor based on the slot acoustic wave for the non-contact analysis of the bacterial cells — Antibody binding in the conducting suspensions // Sensors and Actuators B Chemical. 2018. V. 268. P. 217–222.
  18. Borodina I.A., Zaitsev B.D., Teplykh A.A. The influence of viscous and conducting liquid on the characteristics of the slot acoustic wave // Ultrasonics. 2018. V. 82. P. 39–43.
  19. Inone M., Moritake H., Toda K. and Yoshino K. Viscosity Measurement of Ferroelectric Liquid Crystal Using Shear Horizontal Wave Propagation in a Trilayer Structure // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. V. 39 № 9B. P. 5632–5636.
  20. Ricco A.J. and Martin S.J. Acoustic wave viscosity sensor // Appl. Phys. Lett. 1987. V. 50. № 21. P. 1474–1476.
  21. Kondoh J., Saito K., Shiokawa S., Suzuki H. Simultaneous Measurements of Liquid Properties Using Multichannel Shear Horizontal Surface Acoustic Wave Microsensor // Jpn. J. Appl. Phys. 1996. V. 35. № 5S. P. 3093–3096.
  22. Bender C.M., Boettcher S. Real Spectra in Non-Hermitian Hamiltonians Having PT Symmetry // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. № 24. P. 5243–5246.
  23. El-Ganainy R., Makris K.G., Christodoulides D.N., Musslimani Z.H. Theory of coupled optical PT-symmetric structures // Opt. Lett. 2007. V. 32. № 17. P. 2632–2634.
  24. Zyablovsky A.A., Vinogradov A.P., Pukhov A.A., Dorofeenko A.V., Lisyansky A.A. PT-symmetry in optics // Phys. Usp. 2014. V. 57. № 11. P. 1063–1082.
  25. Schindler J., Lin Z., Lee J.M., Ramezani H., Ellis F.M., Kottos T. PT-symmetric electronics // J. Phys. A Math. Theor. 2012. V. 45. № 44. P. 444029.
  26. Deymier P.A. Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals. Germany: Springer Berlin, 2013. 378 p.
  27. Galda A., Vinokur V.M. Parity-time symmetry breaking in magnetic systems // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 020408.
  28. Wu J., Liu F., Sasase M., Ienaga K., Obata Y., Yukawa R., Horiba K., Kumigashira H., Okuma S., Inoshita T., Hosono H. Natural van der Waals heterostructural single crystals with both magnetic and topological properties // Sci. Adv. 2019. V. 5. № 11. P. 1–6.
  29. Temnaya O.S., Safin A.R., Kalyabin D.V., Nikitov S.A. Parity-Time Symmetry in Planar Coupled Magnonic Heterostructures // Phys. Rev. Applied. 2022. V. 18. P. 014003.
  30. Sadovnikov A.V., Zyablovsky A.A., Dorofeenko A.V., Nikitov S.A. Exceptional-Point Phase Transition in Coupled Magnonic Waveguides // Phys. Rev. Applied. 2022. V. 18. P. 024073.
  31. Doronin I.V., Zyablovsky A.A., Andrianov E.S., Pukhov A.A., Vinogradov A.P. Lasing without inversion due to parametric instability of the laser near the exceptional point // Phys. Rev. A. 2019. V. 100. P. 021801(R).
  32. Wang X., Guo G., Berakdar I. Steering magnonic dynamics and permeability at exceptional points in a parity–time symmetric waveguide // Nat. Commun. 2020. V. 11. P. 5663.
  33. Guo A., Salamo G.J., Duchesne D., Morandotti R., Volatier-Ravat M., Aimez V., Siviloglou G.A., Christodoulides D.N. Observation of PT-Symmetry Breaking in Complex Optical Potentials // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. P. 093902.
  34. Yang Y., Jia H., Bi Y., Zhao H., Yang J. Experimental Demonstration of an Acoustic Asymmetric Diffraction Grating Based on Passive Parity-Time-Symmetric Medium // Phys. Rev. Applied. 2019. V. 12. P. 034040.
  35. Vilkov E.A., Byshevski-Konopko O.A., Temnaya O.S., Kalyabin D.V., Nikitov S.A. Electroacoustic waves in a PT-symmetric piezoelectric structure near the exceptional point // Technical Physics Letters. 2022. V. 48. № 12. P. 74–77.
  36. Vilkov E.A., Byshevski-Konopko O.A., Kalyabin D.V., Nikitov S.A. Gap electroacoustic waves in PT-symmetric piezoelectric heterostructure near the exceptional point // J. Phys. Condens. Matter. 2023. V. 35. № 43. P. 435001.
  37. Wiersig J. Review of exceptional point-based sensors // Photonics research. 2020. V. 8. № 9. P. 1457–1467.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема задачи. Буквами A, S обозначены антисимметричная и симметричная моды

Скачать (77KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Спектр мод щелевых электроакустических волн для двух одинаковых пьезокристаллов класса 4mm в отсутствие затухания и усиления

Скачать (66KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектр мод электроакустических волн для двух идентичных пьезокристаллов класса 4mm, разделенных зазором (h = 10–5 см): (а) — BaTiO3, (б) — Ba2Si2TiO8. Цифры указывают спектры “симметричной” (утолщенная кривая) и “антисимметричной” мод (тонкая кривая) для различных уровней ослабления и усиления: 1 — , 2 — , 3 —

Скачать (158KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость разности амплитуд электрического потенциала Φ0 в зазоре при y = ±h от величины

Скачать (67KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Профиль модуля полного потенциала для двух мод, когда . Расчетные параметры соответствуют рис. 3б. (а) — k = 24500 см–1, (б) — k = 38761 см–1, (в) — k = 49200 см–1

Скачать (150KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости амплитуд электрического потенциала “симметричной” (утолщенная кривая) и “антисимметричной” (тонкая кривая) мод при y = 0 от частоты для: (а) — , (б) — , (в) —

Скачать (157KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024