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.
Гигантская структура под Бермудскими островами не имеет аналогов на Земле
Под широко известным загадочным архипелагом скрывается новая загадка Северной Атлантики. Ученые обнаружили странный слой горных пород толщиной 20 километров под океанической корой под Бермудскими островами. Такая толщина никогда не наблюдалась…
JSR: Раскрыт неочевидный секрет хорошего секса
Запланированная интимная близость повышает качество сексуальной жизни и усиливает желание, показало исследование специалистов из Университета Йорка. Работа опубликована в The Journal of Sex Research (JSR). В западной культуре идею «правильной»…
Ученые предупреждают, что микропластик может распространять опасные патогены
Ученые усердно работают над оценкой масштабов проблемы загрязнения микропластиком и вероятных последствий для здоровья. Новое исследование выявило ряд рисков для здоровья, которые могут представлять эти крошечные пластиковые фрагменты, распространяясь по…
МО: за ночь над Россией сбили 83 украинских БПЛА
Российские средства противовоздушной обороны (ПВО) за ночь уничтожили 83 украинских беспилотных летательных аппарата (БПЛА) над российскими регионами. Об этом сообщили в Минобороны. По данным российского оборонного ведомства, беспилотники самолетного типа…
ФСБ России предотвратила поджог поездов на Кубани
Сотрудники УФСБ России по Краснодарскому краю предотвратили готовящиеся поджоги поездов на железной дороге по заданию украинских спецслужб. Об этом говорится в материалах проверки показаний задержанного, распространенных ведомством. Сотрудники ФСБ РФ…
В Мьянме были похищены трое россиян
Трое россиян были похищены на территории Мьянмы, предположительно, для принудительной работы в мошеннических кол-центрах. Об этом корреспонденту ТАСС сообщили в консульском отделе посольства РФ в Мьянме. Отвечая на вопрос, есть…
Как европейцы будут воевать с Россией, если будут
По Европе бродит призрак войны с Россией, и даже называется время ее начала – 2030 год. Но что может...
Сообщества морских коров формировали экосистемы в Персидском заливе 20 млн лет
Палеонтологи обнаружили плотное скопление останков дюгоней на стоянке Аль-Масжабия в раннем миоцене,...
- Тебе, наверное, больше сорока?
- С чего ты взял?
- Пишешь без ошибок. Чувствуется Советская школа.
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)".