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.
Скрытый коралловый мир обнаружен в глубинах океана
В кромешной темноте под поверхностью Южной Атлантики у берегов Аргентины скрывается волшебная страна чудес. Это глубоководная обитель снующих крабов и тонких морских звезд, эфирных медуз, изящно колышущихся в океанских течениях,…
Глубоководные аппараты обнаружили акул-гоблинов глубоко под водой в Тихом океане
В июле 2019 года дистанционно управляемый подводный аппарат заснял необычное существо на глубине 2 километров под водой недалеко от острова Джарвис в центральной части Тихого океана. Это животное длиной три…
Игрушечная вселенная показывает, что время может быть квантовой иллюзией
Течение времени может быть всего лишь иллюзией, возникающей из квантовых взаимодействий между различными частями Вселенной — по крайней мере, это верно для игрушечной модели космоса. Эксперимент может дать подсказки о…
12 июня отмечается День России
12 июня в Российской Федерации ежегодно отмечается государственный праздник - День России. В соответствии с Трудовым кодексом РФ от 30 декабря 2001 года он является нерабочим праздничным днем. Декларация о…
МО: за ночь над Россией сбили 231 украинский БПЛА
Средства ПВО за прошедшую ночь перехватили и уничтожили над регионами РФ, а также над акваторией Азовского моря 231 украинский БПЛА самолетного типа. Об этом сообщили в Минобороны России. "В течение…
Шуваев: в Белгородской области при атаке ВСУ погиб человек
Вооруженные силы Украины атаковали Белгородскую область 72 раза за сутки. В результате атак погибла мирная жительница, еще 16 человек из 3 округов региона получили ранения, сообщил врио губернатора Александр Шуваев…
21-й «пакет с пакетами» для России, или Новый «подарок от Евросоюза»
Рассказывая о желании «справедливого мира» на Украине, европейские глобалисты продолжают свою систем...
Скрытый слой расплавленных пород под дном океана мог существовать миллионы лет
Дно моря, затвердевшее 15 миллионов лет назад, — это не то место, где геологи ожидают найти расплавл...
А вот если ты уверен, что завтра будет хуже, чем сегодня, это ведь тоже своего рода уверенность в завтрашнем дне?
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)".