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.
Созданные человеком химические вещества влияют на состав океана во всем мире
Океан всегда демонстрировал явные признаки воздействия человека. Вы видите плавающий пластик, нефть на поверхности и повышение температуры. Это легко заметить. Но есть еще одно изменение, происходящее незаметно, и оно только…
Младенцы рождаются с нейронными основами для математики
Младенцы рождаются с врожденным чувством чисел, и теперь впервые были выявлены мозговые механизмы, лежащие в основе этой способности. В течение нескольких дней или даже часов после рождения группа младенцев смогла…
Древняя окаменелость рыбы сохранила свой мозг на протяжении 300 млн лет
Большинство ископаемых останков содержат лишь кости и ничего больше. Лишь немногие сохраняют нечто гораздо более хрупкое. Более 300 миллионов лет назад крошечная рыбка размером с пескаря опустилась в ил доисторического…
Погибший в Нижегородской области и 327 сбитых БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Российские средства ПВО за минувшую ночь перехватили и уничтожили 327 украинских беспилотников, сообщили в Минобороны РФ. Мирный житель погиб в результате атаки ВСУ при помощи беспилотников на Нижегородскую область, заявил…
Ответный массированный удар ВС России по Украине. Главное
Вооруженные силы России в ответ на украинские террористические атаки нанесли массированный удар, поражены предприятия военной промышленности, ТЭК и инфраструктура военных аэродромов. Об этом сообщили в Минобороны РФ. ТАСС собрал основное…
Шуваев: за сутки в Белгородской области при атаках ВСУ погибли два человека
ВСУ атаковали территорию Белгородской области 62 раза за прошедшие сутки. В результате атак в Валуйском и Вейделевском округах погибли два мирных жителя, еще девять получили ранения в Борисовском, Валуйском, Вейделевском,…
Поляки быстро и эффектно заменили Украину на Турцию
Президент Польши Кароль Навроцкий проявил изрядную прыть: не только вызвал к себе народную любовь че...
Новый вид юрских динозавров объясняет, как хвосты стали управлять полетом у птиц
Если бы людей попросили описать основные особенности птицы, большинство, вероятно, упомянули бы перь...
Всегда смущало наличие в ПДД гужевой повозки. Сейчас вообще вопросов не возникает.
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)".