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.
Физики, возможно, наконец-то обнаружили первые признаки частиц темной материи
Исследователи из эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) по изучению темной материи сообщили об обнаружении взаимодействия одной частицы, что вызвало у них большой интерес. Это пока не подтвержденное обнаружение темной материи, но это…
Ученые выяснили, как гигантские черные дыры быстро выросли после Большого взрыва
Астрономы обнаружили странную черную дыру, окутанную плотным газом, которая может объяснить, как гигантские черные дыры так быстро выросли после Большого взрыва. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Практически в…
Под корой Меркурия могут скрываться металлические частицы
Используя новую лабораторную калибровку, исследователи планет в Германии создали самую надежную на сегодняшний день карту концентрации диоксида кремния (SiO₂) на поверхности Луны, а также первую оценку содержания диоксида кремния в…
Попадания в дома и возгорание на заводе. Что известно об атаке украинских БПЛА на регионы России
Средства ПВО за ночь сбили 416 украинских беспилотников самолетного типа над российскими регионами и акваторией Черного моря, сообщили в Минобороны РФ. БПЛА попал в многоквартирный дом в Павловском Посаде, в…
Три дня, которые невозможно забыть: годовщина теракта в Беслане
1 сентября 2004 года для жителей города Беслана начиналось как обычный День знаний. Торжественная линейка в школе № 1 внезапно обернулась кошмаром. Группа террористов захватила в заложники более тысячи человек…
«Пас новому созыву Госдумы» и развитие Дальнего Востока. Выступление президента Путина на ВЭФ
Президент РФ Владимир Путин на пленарной сессии Восточного экономического форума (ВЭФ) заявил, что хочет дать "пас новому созыву Госдумы" и рассчитывает на активную позицию депутатов по улучшению делового климата. Он…
Когда и как в японском языке появилось слово «капитуляция»
3 сентября 1945 года поставило точку в военном противостоянии России и Японии. Для Советского Союза ...
В Сербии внутри башни обнаружена уникальная римская императорская баня
Археологи, проводившие раскопки императорского комплекса Врело-Шаркамен на востоке Сербии, обнаружил...
Что можно ждать от поколения, представители которого способны произнести фразу: «Я ТАКОЕ мороженое не люблю».
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)".