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.
В глубоководных районах Аргентины обнаружены существа, ранее не описанные наукой
Ученые задокументировали крупнейший из известных рифов, построенных белым твердым кораллом Bathelia candida, а также около тридцати ранее неизвестных животных вдоль глубоководного атлантического побережья Аргентины. Эти открытия меняют представления ученых об…
Чрезвычайно устойчивый к радиации организм развил удивительную способность
В таких местах, как Чернобыль и Фукусима, где ядерные катастрофы привели к загрязнению окружающей среды опасным излучением, вполне логично, что жизнь может выработать способы выживания в таких условиях. Но один…
В Египте обнаружена известняковая постройка, связанная с храмом фараона Априеса
В Мит-Рахине, на месте древнего Мемфиса произошел значительный археологический прорыв: совместная египетско-китайская экспедиция обнаружила известняковое сооружение, предположительно связанное с храмом Априеса. Это открытие проливает новый свет на городскую планировку, религиозную…
МО: за ночь над регионами России сбили 79 украинских беспилотников
Силы ПВО за ночь уничтожили и перехватили 79 украинских беспилотников над регионами России, сообщили в Минобороны РФ. "В течение прошедшей ночи с 23:00 мск 23 февраля 2026 года до 07:00…
Мирошник: за неделю от атак ВСУ погибли 14 жителей России
Более 100 человек, в том числе 2 детей, за неделю получили ранения при ударах Вооруженных сил Украины по субъектам РФ, 14 человек погибли от украинской агрессии. Как сообщил ТАСС посол…
В результате взрыва у Савеловского вокзала в Москве погиб полицейский
В ночь на 24 февраля около Савеловского вокзала неизвестный привел в действие взрывное устройство. Преступник и полицейский погибли при взрыве, еще два сотрудника правоохранительных органов были ранены. ТАСС собрал основную…
Зеленский против Лукашенко или Киев повышает ставки, развязывая новый фронт борьбы с Белоруссией
Агонизирующие диктаторы перед своим концом всегда стремятся найти какие-то дополнительные рычаги сох...
Первый ларарий к северу от Альп был найден в Кёльне
В Кёльне обнаружен римский ларарий (частный алтарь, посвященный домашним богам-хранителям, Ларам) II...
Когда вам покажется, что вы не справитесь, вспомните, что вы из поколения, которое писало сочинения на три страницы. Из головы! Ручкой на большой перемене!
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)".