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.
Подтверждено существование редкого типа землетрясения, считавшегося невозможным
Ранним утром 24 февраля 1979 года сейсмографы Университета Юты зафиксировали землетрясение под небольшим городком Рэндольф, расположенным недалеко от границ штатов Айдахо и Вайоминг. Землетрясение имело магнитуду 3,8 — достаточно сильное,…
Археологи обнаружили редкие 2500-летние бронзовые кольца в шведской гробнице
Шведские археологи обнаружили два редких бронзовых шейных кольца внутри надгробного памятника в Марби, к востоку от Норрчёпинга. Это открытие может быть уникальным в данном археологическом контексте. Бронзовые украшения, возраст которых…
Ученые выяснили, почему землетрясения не всегда вызывают извержения вулканов
Сильные землетрясения могут вызывать у действующих вулканов кратковременные всплески необычной активности. Это подтверждено документально. Исследователям было сложно определить, действительно ли всколыхнувшийся вулкан приблизился к извержению или же его просто ненадолго…
МО: за ночь над регионами России сбили 72 украинских БПЛА
Российские средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили над регионами РФ и Черным морем 72 украинских БПЛА. Об этом сообщили в Минобороны России. "В течение прошедшей ночи в период с…
Ребенок погиб, 11 человек пострадали. Последствия удара украинских БПЛА по Геническу Херсонской области
ВСУ вечером 31 мая ударили беспилотником по многоквартирным домам в Геническе Херсонской области. В результате погиб ребенок 2020 года рождения, 11 человек пострадали. ТАСС собрал основное об атаке. Последствия удара…
ВСУ атаковали Белгородскую область более 50 раз за сутки, ранен мирный житель
Вооруженные силы Украины за минувшие сутки атаковали территорию Белгородской области 52 раза. В результате атак ранен мирный житель, сообщил врио губернатора Александр Шуваев в "Максе". "За минувшие сутки ВСУ 52…
Европа не может ответить на четыре главных вопроса о переговорах с Россией
Европе нужно садиться за стол – однако проблема в том, что для целого ряда европейских политиков ест...
У Солнца есть «сердцебиение», и оно может влиять на Землю сильнее, чем считалось
Астрономы изучают звуковые волны, распространяющиеся внутри Солнца. Этот подход, известный как астер...
- Дорогая, только послушай, что пишут: "Ученые выяснили, что базовая температура тела у женщин постепенно растет в период с 18 до 42 лет. Причины этого явления пока изучаются".
- Дорогой, не доводи меня до кипения! Я тебе еще два часа назад сказала: пойди, вынеси мусор! А ты в интернете торчишь.
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)".