Физики из МФТИ доказали, что двумерная модификация углерода — графен — может стать идеальным материалом для создания плазмонных приборов, способных обнаружить взрывчатые, ядовитые и другие органические вещества по наличию даже одной молекулы, говорится в статье, опубликованной в Physical Review B.
Плазмоны
Ученых давно привлекают возможности плазмонов — квазичастиц, являющихся квантами плазменных колебаний, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet Today. В частном случае, когда мы говорим о плазмонах в твёрдом теле, речь идёт о колебаниях свободных электронов. Наибольший интерес вызывают эффекты, происходящие при взаимодействии электромагнитного излучения и плазмонов на поверхности вещества (как правило, это металлы и полуметаллы – в них большая концентрация свободных электронов). Использование этих эффектов позволит сделать прорыв в конструировании сверхточных электронных и оптических устройств. В частности, плазмонные эффекты приводят к возможности субволновой фокусировки электромагнитных волн, что улучшает чувствительность плазмонных устройств до уровня распознавания одиночной молекулы. Подобное невозможно с устройствами на основе классической оптики. Но плазмоны в металле очень быстро теряют энергию из-за омического сопротивления, для них требуется постоянная «подпитка». Эту проблему учёные пытаются решить, используя композитные материалы с заданной микроструктурой. Одним из таких материалов является графен.
Графен
Графен — двумерный кристалл, одна из аллотропных модификаций углерода. Его можно представить как плоскую «сетку», состоящую из ячеек-шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Впервые графен удалось получить выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову, за что им была присуждена Нобелевская премия по физике. Графен является полупроводником с чрезвычайно высокой подвижностью носителей. Он также имеет крайне высокую электропроводность, что открывает возможность создания транзисторов на основе графена.
Теория даёт добро
Прежде чем конструировать подобные устройства, необходимо проверить возможность реализации заложенных в них принципов. Это достигается численным решением соответствующих квантово-механических уравнений. Такое уравнение для графеновых устройств было сформулировано и решено группой учёных из лаборатории спектроскопии наноструктур под началом Юрия Лозовика. На основе полученного решения они разработали квантовую модель поведения плазмонов в графене. Результатом исследования стало описание режимов работы поверхностного плазмонного светодиода (СПЕД) и поверхностного плазмонного лазера (СПАЗЕР) с использованием графенового слоя.

Схема СПАЗЕРа: шестиугольная сетка – графен, голубым обозначен слой диэлектрика, оранжевым – слой активной среды, через которую осуществляется оптическая накачка.
СПАЗЕР можно охарактеризовать как устройство, схожее по принципу работы с лазером, но в СПАЗЕРе оптические переходы в усиливающей среде генерируют поверхностный плазмон вместо обычной электромагнитной моды лазерного резонатора. СПЕД также для своей работы использует поверхностные плазмоны, но создаёт некогерентное излучение. Для работы СПЕД требуется значительно меньшая мощность накачки. Данные устройства будут работать в инфракрасном диапазоне, в котором проводится изучение биологических молекул.
«На основе графенового спазера можно создать компактные спектроскопические устройства, способные фиксировать даже одну молекулу вещества, а это, в свою очередь, принципиально важно во многих задачах. В частности, возможно обнаружение органических молекул по их характеристическим переходам (“отпечаткам пальцев”), которые как раз находятся в средней инфракрасной области, где работает спазер на основе графена», — говорит один из авторов статьи, сотрудник кафедры теоретической физики МФТИ Александр Дорофеенко.
Впервые за 25 лет гигантские кальмары обнаружены в неожиданных водах
Впервые за десятилетия гигантские кальмары были обнаружены в водах у побережья Западной Австралии, скрываясь в глубоководных каньонах восточной части Индийского океана. Однако эти загадочные существа остаются такими же неуловимыми, как…
В Греции найдены остатки оружейного производства эпохи после Александра Великого
Исследование показало, что металлургические шлаки, обнаруженные в древнем городе Палеополис, образовались в результате местной ковки железного оружия и инструментов во время войн диадохов. Группа исследователей сумела разгадать тайны, скрытые в…
Первый в мире ядерный взрыв выковал «невозможный» кристалл
Нам не всегда удаётся точно определить момент, когда мир меняется. Но когда 16 июля 1945 года в 5:29 утра в Нью-Мексико вспыхнул рассвет, это, без сомнения, стало поворотным моментом в…
МО: за ночь над регионами России сбили 286 украинских БПЛА
Средства ПВО в течение прошедшей ночи перехватили и уничтожили над российскими регионами, акваториями Азовского и Черного морей 286 украинских беспилотников, сообщили в Минобороны РФ. Обломки БПЛА упали на территории одного…
В Белгородской области за сутки от атак ВСУ пострадали четыре человека
Вооруженные силы Украины за минувшие сутки атаковали территорию 10 муниципальных округов Белгородской области, при ударах ранения получили четыре мирных жителя. Об этом сообщили в оперативном штабе региона. "В Шебекинском округе…
Хинштейн: Курскую область ВСУ обстреляли из артиллерии 119 раза за сутки, сбито 110 БПЛА
Вооруженные силы Украины (ВСУ) атаковали районы Курской области из артиллерии 119 раз за прошедшие сутки, над регионом сбито 110 беспилотников. Погибших нет, сообщил губернатор Александр Хинштейн. "Всего в период с…
Новая российская межконтинентальная баллистическая ракета обессмыслила американский «Золотой купол»
В России успешно испытано самое мощное в мире средство доставки ядерного оружия. Чем уникален и как ...
Редкий погребальный костер раскрывает доисторический ритуал кремации в Англии
Редкий погребальный костер в Сайзвелл-С дает археологам необычную возможность заглянуть в то, как др...
Этот сайт использует файлы «cookie» с целью повышения удобства его использования. Во время посещения сайта вы соглашаетесь с тем, что мы обрабатываем ваши персональные данные с использованием сервиса «Яндекс. Метрика». Продолжая использовать сайт, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности.
Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций
(Роскомнадзор). Реестровая запись от 07.06.2022 серия ЭЛ № ФС 77 – 83392. При использовании, полном или частичном
цитировании материалов planet-today.ru активная гиперссылка обязательна. Мнения и взгляды авторов не всегда совпадают с
точкой зрения редакции. На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии
предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей
сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)".