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.
На Солнце идёт дождь из магнитных «головастиков»
Приближение к объектам — один из способов для учёных собрать более качественные данные о них. Но с Солнцем это сделать сложно, поскольку приближение к нему обычно означает сгорание дотла. Достаточно…
Идентифицировано описанное Плинием таинственное вещество, придающее одежде блеск
Междисциплинарная группа итальянских и греческих исследователей провела исследование, которое, по-видимому, строит мост между современностью и древностью, связывая умбрийскую глинистую землю, исторически использовавшуюся в лечебных целях, с таинственным веществом, описанным Плинием…
Человечество случайно создало защитный барьер вокруг Земли
Мы прекрасно знаем, что наш вид способен вызывать феноменальные изменения, даже случайно, к лучшему или к худшему. Мы видим это в климатическом кризисе, а также в искоренении оспы. Когда миссия…
МО: за ночь над регионами России сбили 29 украинских БПЛА
Средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили над российскими регионами 29 украинских БПЛА, сообщили в Минобороны РФ. БПЛА попытались атаковать объекты в Буденновске Ставропольского края, возникли возгорания на территории промзоны.…
ФСБ: в пяти российских регионах задержали организаторов нелегальной миграции
Организаторов нелегальной миграции, легализовавших более 2 тыс. иностранцев, задержали в пяти регионах России. Об этом ТАСС сообщили в Центре общественных связей (ЦОС) ФСБ России. "Федеральной службой безопасности совместно с МВД…
От призыва до НДС. Какие законы приняла Госдума РФ в осеннюю сессию 2025 года
23 декабря 2025 года Государственная дума проводит заключительное пленарное заседание осенней сессии. ТАСС подготовил материал о некоторых ключевых законопроектах, принятых депутатами во второй половине 2025 года. О международных соглашениях Денонсирована…
События 2025 года пророчат финал нацистского режима Зеленского
Четыре ключевых процесса развивались в последний год вокруг Украины – и их сложное сочетание привело...
Владельцы древней римской виллы организовывали пышные охоты на диких животных
Археозоологическое исследование показывает, что охота на этой роскошной прибрежной вилле в Тарраконе...
- 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)".