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.
Инструменты помогли по-новому взглянуть на жизнь неандертальцев 40 000 лет назад
Находки новых каменных орудий в пещере в Сарагосе, Испания, помогают археологам реконструировать повседневную жизнь последних неандертальцев, живших в Арагоне около сорока тысяч лет назад. Во время раскопок «Агилон P5» в…
На южном полюсе Сатурна образовался большой, странный десятиугольник
Вблизи южного полюса Сатурна наблюдается новый, необычный погодный паттерн, напоминающий десятиугольник. Возможно, он сформировался из-за сильного шторма поблизости, но исследователи пока не уверены. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале…
Ученые выяснили, кто создал странные шестиугольные окаменелости
Загадка необычного шестиугольного ископаемого, которое появлялось на Земле в течение последних 500 миллионов лет, приблизилась к разгадке на один шаг. Новое исследование описало, как выглядит создатель этого ископаемого следа, Paleodictyon,…
Возгорание на нефтебазе в Сочи и 490 БПЛА. Что известно о последствиях атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО прошедшей ночью перехватили и уничтожили 490 украинских беспилотников над российскими регионами и акваторией Черного моря, сообщили в Минобороны РФ. Возгорание на территории нефтебазы произошло в результате атаки БПЛА…
Шуваев: за сутки в Белгородской области при атаках ВСУ погибли пять человек
Вооруженные силы Украины атаковали Белгородскую область порядка 150 раз за прошедшие сутки, в результате погибли 5 мирных жителей, еще 14 пострадали. Об этом сообщил врио губернатора Белгородской области Александр Шуваев…
Поражены логистический центр, электроподстанция и терминал в порту. Удары ВС РФ по объектам на Украине
ВС России минувшей ночью нанесли удар по логистическому центру "Еко-автотехникс" в Киевской области, на складах которого хранились товары двойного назначения. Об этом сообщили в Минобороны РФ. Кроме того, в Мирном…
Авантюризм вытеснил у Европы инстинкт самосохранения
В Старом Свете никто не испытывает иллюзий по поводу возможности легкой военной победы над Россией. ...
Свекла и кактусы обладают общим красным пигментом, помогающим выживать в пустыне
Возможно, яркие пигменты помогали родственникам кактусов переносить засуху еще до того, как сочность...
- Алло, это Ветслужба? Я бы хотел зарегистрировать кроликов в своём подсобном хозяйстве...
- Хорошо. Сколько их у вас?
- Пятнадцать...
- Сколько?
- Семнадцать...
- Пятнадцать, или семнадцать?
- Двадцать один...
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)".