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.
Почему время с возрастом ускоряется и можно ли его затормозить
Многие не раз отмечали, что в детстве время, особенно, летнее, тянулось бесконечно, но с возрастом стало нестись с пугающей скоростью. Исследователь восприятия времени доктор Марк Виттманн из немецкого Института пограничных…
Найдены доказательства превращения вакуума в материю в ходе эксперимента
На детекторе STAR в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) удалось впервые в истории наблюдений отследить, как частицы возникают из пустого пространства, подтверждая давний прогноз квантовой хромодинамики. Открытие совершено в ходе…
Ночи на Земле становятся все светлее, но некоторые регионы погружаются во тьму
Если посмотреть на Землю из космоса, то можно увидеть, что она не просто тихо светится, а пульсирует, мерцает и меняется, раскрывая то, как живут, строят, борются и развиваются люди. Ученые,…
МО: за ночь над регионами России сбили 97 украинских БПЛА
Средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили 97 украинских беспилотников над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. Женщина погибла, еще пять человек пострадали при атаке ВСУ на Елец Липецкой области.…
Мирошник: от ударов ВСУ за неделю погибли почти 29 жителей России, еще 170 получили ранения
Удары Вооруженных сил Украины на минувшей неделе унесли жизни почти 30 мирных жителей РФ, включая троих детей, 170 человек, в том числе 12 несовершеннолетних, получили ранения. Об этом ТАСС сообщил…
В Крыму задержали агента СБУ, собиравшего данные о Черноморском флоте
Сотрудники ФСБ задержали в Крыму агента Службы безопасности Украины (СБУ), передававшего данные об объектах Черноморского флота. ТАСС собрал основное, что известно о задержании. О задержанном По данным ведомства, житель Ялты…
Европейские сателлиты США вдруг почувствовали вкус крови
США своими решениями и действиями за последние недели создали массу преимуществ для собственных подч...
Открытие показывает, что неандертальцы и Homo sapiens работали вместе
В глубине холмов центрального Израиля новое открытие переписывает историю человеческого сотрудничест...
Март - блины, апрель - куличи, май - шашлыки... и куда, скажите, мне втиснуть эту вашу диету?!
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)".