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.
DPA GmbH: Препарат для лечения суставов эффективен от инфаркта и инсульта
Лекарство, которое широко применяют для терапии подагры, может служить и уменьшению риска сердечно-сосудистых осложнений. Это вывод группы исследователей из нескольких европейских стран, сделанный на базе анализа данных более 100 тысяч…
Вся жизнь на Земле имеет общего предка, но часть наших генов еще более стары
Последний общий предок всех живых существ не появился внезапно на Земле примерно 4,2 миллиарда лет назад. Часть его генов происходит из еще более древнего и загадочного источника… «Хотя последний общий…
В Турции обнаружен один из трех известных в мире древних речных портов
Археологи, работающие в историческом городе Трабзон на черноморском побережье Турции, обнаружили необычайную археологическую находку: древний речной порт, связанный с ручьем Кузгундере, который в настоящее время признан третьим известным речным портом…
МО: за ночь над регионами России сбили 58 украинских БПЛА
Силы ПВО за ночь уничтожили и перехватили 58 украинских беспилотников над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. Три человека пострадали в результате удара дронов ВСУ в Волгоградской области. Значительные повреждения…
Хинштейн: ВСУ за сутки 13 раз обстреляли отселенные районы Курской области
Вооруженные силы Украины 13 раз применили артиллерию для обстрелов отселенных районов Курской области, в регионе сбито 43 беспилотника различных типов за прошедшие сутки. Об этом в своем Telegram-канале сообщил губернатор…
Глава МИД Венгрии Сийярто обвинил Зеленского в прекращении поставок нефти по трубопроводу «Дружба»
Украина блокировала поставки нефти в Венгрию из России по трубопроводу "Дружба", чтобы создать сложности для венгерского правительства накануне парламентских выборов. Об этом заявил министр иностранных дел и внешнеэкономических связей Венгрии…
Какое тайное оружие использовали США для захвата Николаса Мадуро
«Дискомбобулятором» называет президент США некое секретное оружие, которое, как заявлялось, было исп...
На рис, кукурузу, пшеницу и пальмы приходится 67% аграрных выбросов СО2
Климатологами подготовлена самая детальная на данный момент карта выбросов парниковых газов, порожда...
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)".