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 смогли прочитать запечатанные 4000-летние клинописные письма из Анатолии
Благодаря мобильному рентгеновскому компьютерному томографу, разработанному для внедрения передовых методов визуализации непосредственно в музейные коллекции, удалось прочитать запечатанные клинописные письма из древней Анатолии, возраст которых составляет 4000 лет, не вскрывая…
Подтверждена гипотеза о двух жидких состояниях воды
Международной группе исследователей впервые удалось подтвердить на молекулярном уровне, что жидкая вода - это сочетание двух разных состояний, одно из которых плотнее другого. Данные структуры постоянно сменяют друг друга. Открытие…
JP: У стресса выявили опасную способность провоцировать образование тромбов
Острый стресс провоцирует каскад биохимических реакций, физически меняющих структуру крови и повышающих риски образования тромбов. К этому выводу пришли сотрудники Университета Южного Уэльса. Результаты работы они опубликовали в издании Journal…
Гибель младенца в Егорьевске и 419 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО за прошедшую ночь перехватили и уничтожили над российскими регионами 419 украинских беспилотников, сообщили в Минобороны РФ. Частный дом загорелся в Егорьевске в результате падения БПЛА. Погиб шестимесячный младенец,…
Королев: из-за атаки БПЛА под Тверью погибла женщина
Обломки украинского беспилотника попали в жилой дачный дом в Кимрском муниципальном округе Тверской области, погибла пожилая женщина. Об этом сообщил в "Максе" глава региона Виталий Королев. "В Кимрском муниципальном округе…
В Белгородской области при атаках ВСУ погиб мирный житель, еще четверо ранены
ВСУ с помощью дронов атаковали территорию Белгородской области, один человек погиб, еще четверо получили различные ранения. Об этом сообщили в оперштабе региона. "В результате целенаправленных атак со стороны ВСУ один…
Япония сколачивает военный кулак у российских границ
На Окинаве проведены мероприятия, посвященные 81-й годовщине битвы за этот остров, продолжавшейся с ...
Древняя окаменелость рыбы сохранила свой мозг на протяжении 300 млн лет
Большинство ископаемых останков содержат лишь кости и ничего больше. Лишь немногие сохраняют нечто г...
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)".