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.
Череп возрастом 145 000 лет имеет следы сложного «ножевого» ранения в лицо
Первые известные люди, разработавшие погребальные обычаи, возможно, пережили при жизни ужасающие акты насилия. Один из членов этой группы, по всей видимости, подвергся нападению с применением острого предмета, в результате чего…
Морские губки, подобно растениям, производят пищу из солнечного света
Долгое время губки на коралловых рифах имели довольно простую репутацию. Они сидели на одном месте и питались тем, что приносила мимо них вода. Теперь эта картина выглядит неполной. Новое исследование…
Ученые впервые наблюдали за рождением фрагмента океанической коры Земли
Большая часть земной коры нашей планеты сформирована в талласе, который человеческий глаз никогда не увидит. На протяжении 65 000 километров океанского дна система срединно-океанических хребтов отмечает границы, где встречаются тектонические…
МО: за ночь над регионами России сбили 178 украинских беспилотников
Средства ПВО РФ в ночь на 11 июля уничтожили 178 украинских беспилотников. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "В течение ночи в период с 20:00 мск 10 июля до 8:00…
В Таганрогском заливе при атаке украинского БПЛА погиб матрос технического судна
В Таганрогском заливе из-за атаки БПЛА погиб матрос технического судна. Атаке подверглись четыре судна различного назначения, об этом сообщил в "Максе" губернатор Ростовской области Юрий Слюсарь. "Сегодня вновь в Таганрогском…
ВС России в ночь на 11 июля ударили по предприятиям ВПК в Киеве
Российские войска в ночь на 11 июля нанесли групповые удары высокоточным оружием большой дальности по предприятиям военной промышленности в Киеве. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "Сегодня ночью Вооруженными силами…
Волынская резня заставила Польшу проводить свою денацификацию Украины
В субботу отмечается годовщина Волынской резни, жертвами которой стали 100 тыс. человек. Но Украина ...
Черная дыра в ближайшей галактике может открыть окно в раннюю Вселенную
Международная группа исследователей из Института радиоастрономии им. Макса Планка (MPIfR) недавно со...
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)".