El 20 de mayo, el equipo de investigación científica de nuestro país volvió a publicar resultados innovadores en investigación de sensores en la prestigiosa revista académica «Nature».
Este estudio se basa en el principio de la física de singularidades, haciendo que la modulación de frecuencia y fase causada por el efecto Coriolis presente una relación de escala de raíz cúbica, optimizando eficazmente los indicadores clave de rendimiento del giróscopo vibratorio Coriolis a escala de chip. Verificado mediante múltiples experimentos, este innovador esquema de optimización no aumenta el tamaño estructural del dispositivo ni genera consumo de energía adicional, y puede mejorar significativamente la relación señal-ruido del sistema, aumentando enormemente la precisión de detección de movimiento y medición de actitud del giróscopo: los datos del artículo muestran que se logró una mejora de tres órdenes de magnitud en el factor Coriolis, la relación señal-ruido aumentó 253 veces y la precisión mejoró 297 veces.
Este resultado se publicó en «Nature» con el título "Cusp-singularity-enhanced Coriolis effect for sensitive chip-scale gyroscopes".
Según la información, el profesor Xin Zhou (Universidad Nacional de Tecnología de Defensa y Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur), el profesor Hui Jing (Universidad Nacional de Tecnología de Defensa y Universidad Normal de Hunan), el profesor Franco Nori (RIKEN) y el profesor Fei Wang (Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur) son los coautores de correspondencia del artículo; el estudiante de maestría Sen Zhang, del grupo de investigación de Xin Zhou, es el primer autor del artículo, quien realizó los experimentos bajo la dirección del profesor Xin Zhou; el profesor Xin Zhou lideró el análisis teórico, los profesores Hui Jing y Nori proporcionaron una orientación fundamental, y el Dr. Ran Huang, co-dirigido por los profesores Jing y Nori, también contribuyó al análisis teórico. El trabajo de investigación recibió financiación y apoyo del Programa Nacional Clave de I+D y de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
El giróscopo, como sensor inercial fundamental, es crucial para la medición de rotación en industrias como la electrónica de consumo, la automoción y la aeroespacial, donde el tipo más ampliamente utilizado se basa en el efecto Coriolis. Los giróscopos vibratorios Coriolis (CVG) a escala de chip ofrecen ventajas en tamaño, peso y costo, pero su rendimiento es muy inferior al de los CVG macroscópicos tradicionales. Esto se debe a que el factor Coriolis inherentemente débil en los microchips limita la mejora de su sensibilidad, y el ruido Browniano en los microchips es mucho mayor que en los chips macroscópicos. Para superar esta limitación física, proponemos y verificamos experimentalmente el uso de la singularidad de tercer orden dentro de un punto cúspide en la oscilación de seguimiento de fase de un CVG en chip, para lograr una escala de raíz cúbica de la modulación de frecuencia inducida por el efecto Coriolis. Aprovechando este efecto, logramos una mejora de tres órdenes de magnitud en el factor Coriolis, un aumento de 253 veces en la relación señal-ruido y una mejora de 297 veces en la precisión. Además, la singularidad de punto cúspide posibilita una medición sublineal de modulación de fase ultrasensible que antes era inalcanzable, logrando así un rendimiento récord de relación señal-ruido en un giróscopo de chip de silicio. Estos hallazgos no solo llenan el vacío en la observación y el control de la mejora del efecto Coriolis mediante singularidades, aportando un avance revolucionario a la tecnología de giróscopos, sino que también ofrecen nuevas ideas para otras aplicaciones de detección ultrasensibles.