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.
Необычные суперионные состояния материи могут находиться внутри Урана и Нептуна
Гигантские планеты Солнечной системы имеют сложное внутреннее строение, которое до сих пор было трудно точно определить. Внутри Урана и Нептуна мы ожидаем увидеть алмазы, выпадающие в виде осадков, образующих углерод,…
«Супер-Эль-Ниньо» приближается, но это не самая большая климатическая угроза
Исследователи сообщают, что большой резервуар тепла, перемещающийся под тропической частью Тихого океана, начал перестраивать поверхностные условия в направлении развития явления Эль-Ниньо. Результаты исследования опубликованы в журнале Geoscientific Model Development. Эта…
В сеноте на полуострове Юкатан обнаружено оружие времен кастовой войны
Глубоко под поверхностью полуострова Юкатан, на подводном археологическом участке, обнаружена удивительная коллекция оружия XIX века. Археологи из Национального института антропологии и истории Мексики (INAH) документируют обширное множество артефактов, скрытых в…
МО: за ночь над регионами России сбили 112 украинских БПЛА
За минувшую ночь российские силы ПВО перехватили 112 украинских БПЛА над регионами России, а также над Азовским и Черным морями. Об этом сообщили в Минобороны РФ. Силы ПВО уничтожили дроны…
В Туапсе при атаке БПЛА на морской порт погиб мужчина, еще один пострадал
Туапсе подвергся массированной атаке дронов ВСУ. Один человек погиб и один пострадал при ударе по морскому порту, сообщил губернатор Краснодарского края Вениамин Кондратьев. Как отметил в своем канале в Max…
Рост компенсаций и защита аккуратных водителей. Что может измениться в ОСАГО в 2027 году
Максимальную компенсацию по полису ОСАГО планируется увеличить с 500 тыс. до 2 млн рублей. Закон может вступить в силу уже с марта 2027 года. ТАСС собрал ключевые факты об инициативе.…
Зеленский угрожает Лукашенко, или как Беларусь пытаются затянуть в украинский конфликт
Перед выходными Зеленский неожиданно разразился угрозами в адрес белорусского президента Лукашенко, ...
7500-летний череп «гибрида неандертальца и человека» оказался совсем не тем
Новый анализ с использованием трехмерных технологий разгадывает загадку лобной кости из Ханёферсанда...
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)".