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.
Философы допускают, что сознание инопланетян кардинально не похоже на наше
Философы Эрик Швицгебель из Калифорнийского университета в Риверсайде и Джереми Побер из Лиссабонского университета высказали свою версию, насколько инопланетяне могут отличаться от землян. Они считают очень вероятным, что такие различия…
Неандертальцы и Homo sapiens 30 000 лет разделяли одну и ту же культуру
Около 77 000 лет назад группа неандертальцев в Турции начала заселять пещеру, известную сейчас под названием Учагызлы II, принеся с собой свои собственные стратегии выживания и символическую культуру. В конце…
В Гарварде объяснили, почему болезнь Альцгеймера реже грозит таксистам
Команда сотрудников Гарвардского университета обнаружила связь между регулярной навигацией без GPS и снижением рисков смерти от болезни Альцгеймера. Они провели анализ сведений о специальностях и причинах летальности миллионов жителей США,…
Повреждения танкеров, пожар на нефтебазе в Тверской области и 73 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили над российскими регионами и Азовским морем 73 украинских беспилотника, сообщили в Минобороны РФ. Возгорание произошло на одном из резервуаров предприятия "Тверская нефтебаза" после…
Шуваев: в Белгородской области за сутки при атаках ВСУ погиб человек, еще 22 были ранены
ВСУ атаковали территорию Белгородской области 75 раз за прошедшие сутки. В результате ударов погиб мирный житель, еще 22, включая ребенка, получили ранения, сообщил врио губернатора региона Александр Шуваев. "За минувшие…
ФСБ сорвала беспрецедентную по масштабам попытку терактов Киева против военных
Предотвращены беспрецедентные по масштабам попытки спецслужб Украины совершить серию диверсионно-террористических актов на военных объектах и в отношении ряда военнослужащих Минобороны России. Об этом сообщили в Центре общественных связей (ЦОС) ФСБ…
Переговоры США и Ирана вновь вернулись на стадию войны
США и Иран за последние сутки вновь обменялись ударами. Однако на этот раз Дональд Трамп объявил, чт...
Червь, живший полмиллиарда лет назад, предпочитал поворачивать направо
Червь, живший 555 миллионов лет назад, имел склонность поворачивать направо, что, возможно, указывае...
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)".