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.
Ученые впервые обнаружили двойную систему, в которой обе звезды взорвались
Согласно новому исследованию, ученые, возможно, впервые обнаружили двойную систему, в которой обе звезды взорвались как сверхновые. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications. Хотя Земля может вращаться вокруг одной…
В водоемах Земли идёт стремительное исчезновение кислорода
Концентрация растворенного кислорода в реках, океанах, озерах снижается на фоне загрязнений и потепления климата. Эксперты утверждают, что процесс угрожает устойчивости биосферы и грозит обрести необратимый характер. Работу опубликовали в журнале…
Астрофизиками предложен новый критерий поиска обитаемых миров
Даже если планета расположена на «правильном» расстоянии от звезды, этого недостаточно, чтобы она являлась пригодной для жизни. Новое исследование американских учёных показало, что не менее важен ее размер. На слишком…
Удары по складам Wildberries в Ленобласти и 571 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО в течение прошедшей ночи перехватили и уничтожили 571 украинский беспилотник над российскими регионами, а также акваториями Азовского и Черного морей, сообщили в Минобороны РФ. Украинские беспилотники атаковали Санкт-Петербург,…
Шуваев: за сутки в Белгородской области при атаках ВСУ пострадали 36 человек
ВСУ атаковали территорию Белгородской области почти 160 раз за сутки. В результате атак ранения получили 36 мирных жителей, 13 из них госпитализированы, 3 в тяжелом состоянии, сообщил врио губернатора региона…
Новые групповые удары ВС России по украинским портам. Что известно
Российские войска в ночь на 24 июля продолжили нанесение групповых ударов по украинским портам. Об этом сообщили в Минобороны РФ. ТАСС собрал основное о результатах. Заявление Минобороны ВС России продолжили…
Окончательное прощание с нейтралитетом: Финляндия сжигает последние мосты с Китаем
Хельсинки пересматривает свои отношения с Пекином. Это уже не просто дипломатическая корректировка, ...
Острова теряют биоразнообразие, которое делало их уникальными
Острова издавна служили естественными лабораториями для изучения эволюции и экологии, вдохновляя на ...
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)".