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.
Загадка образования астероида Бенну разгадана
Новые анализы образцов, проведенные исследователями из ETH Zurich, указывают на неожиданное происхождение астероида Бенну: вместо того чтобы образоваться далеко в Солнечной системе, родительское тело Бенну, вероятно, возникло в особой переходной…
Когда-то вулканы разорвали связь между океанами, теперь это делает нечто другое
Явление Эль-Ниньо когда-то помогало предсказывать потепление в Индийском океане. Новые исследования показывают, что изменение климата нарушает эту многовековую связь. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications. В год Эль-Ниньо…
Странные галактики в ранней Вселенной были сформированы необычными звёздами
Галактики и их звёзды в ранней Вселенной выглядели гораздо более необычно, чем те, которые мы видим сегодня, и астрономы хотят понять, почему. Группа исследователей из Университета Юты решила изучить определённые…
МО: за ночь над регионами России сбили 645 украинских БПЛА
Российские средства ПВО в течение прошедшей ночи перехватили и уничтожили над регионами РФ, а также над акваториями Черного и Азовского морей 645 украинских БПЛА. Об этом сообщили в Минобороны России.…
Кондратьев: в Краснодарском крае из-за атаки БПЛА погибли люди
Северский район Краснодарского края подвергся атаке БПЛА, есть погибшие, один человек пострадал, его госпитализировали в тяжелом состоянии. Об этом сообщил губернатор Кубани Вениамин Кондратьев в своем Telegram-канале. "Северский район подвергся…
В Белгородской области при ударах ВСУ погиб человек, еще трое были ранены
Мужчина умер на месте из-за сброса взрывного устройства с беспилотника ВСУ в Грайворонском округе Белгородской области. В Грайвороне от удара дрона ВСУ ранен мирный житель, в Шебекинском округе в результате…
Венгрия смогла резко увернуться от втягивания в войну с Россией
У Украины уникальный талант ссориться с соседями. С Россией – из-за всего, с Белоруссией – из-за Рос...
Рыбы понимают, что что-то не так, когда сосед внезапно исчезает
Крошечные стеклянные рыбки способны чувствовать опасность, не видя угрозы, используя внезапное исчез...
Финляндия ограничила доступ к полученным из России документам до 9999 года. А они таки оптимисты!
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)".