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 предложили новую версию образования Средиземного моря
Исследователи долгое время считали, что 5 миллионов лет назад внезапное масштабное наводнение затопило засушливое, засоленное Средиземное море. Оказалось, что этого, вероятно, не произошло, но драматических событий всё равно было предостаточно.…
Марсоход «Персеверанс» обнаружил доказательства, что Марс был тропическим раем
Недавнее исследование показало, что миллиарды лет назад Марс был теплым и влажным. Этот вывод противоречит другой теории, согласно которой эта эпоха была преимущественно холодной и ледяной. Результат имеет значение для…
В Венесуэле обнаружены новые петроглифы, дающие представление о древней культуре
Недавно обнаруженные наскальные рисунки в венесуэльском штате Монагас описываются как потенциально одни из старейших известных образцов наскального искусства в стране, возраст которых оценивается от 4000 до 8000 лет. Петроглифы, украшенные…
МО: за ночь над регионами России сбили 149 украинских беспилотников
Силы ПВО за ночь уничтожили и перехватили 149 украинских беспилотников над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. Мужчина погиб в результате атаки ВСУ на Севастополь. В Брянской области осколками БПЛА…
В Ставрополе уничтожили мужчину, готовившего теракт на День защитника Отечества
Сотрудники ФСБ при попытке задержания нейтрализовали в Ставрополе мужчину, готовившего по заданию киевских спецслужб теракт во время массовых мероприятий ко Дню защитника Отечества. Об этом сообщили в Центре общественных связей…
Трамп продлил действие санкций против России ещё на год
Президент США Дональд Трамп продлил на год срок действия ряда санкций, введенных ранее в отношении России в связи с ситуацией на Украине. Это следует из уведомления, поступившего в Федеральный реестр…
Япония подводит отношения с Россией к точке невозврата
В результате волюнтаристского роспуска парламента и проведения скоропалительных всеобщих парламентск...
CEE: 40 миллионов лет назад нечто странное изменило магнитное поле Земли
Исследователи выявили период медленного изменения магнитного поля Земли, произошедший около 40 милли...
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)".