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.
Философы допускают, что сознание инопланетян кардинально не похоже на наше
Философы Эрик Швицгебель из Калифорнийского университета в Риверсайде и Джереми Побер из Лиссабонского университета высказали свою версию, насколько инопланетяне могут отличаться от землян. Они считают очень вероятным, что такие различия…
Череп возрастом 7 млн лет вызывает споры: был ли этот наш предок прямоходящим
7 миллионов лет назад территория современного северного Чада простиралась вблизи лесов, озер, рек и открытых лугов. Знаменитые окаменелости Sahelanthropus tchadensis, обнаруженные в Торос-Меналле, не были частью современной засушливой Сахары. Исследователи…
Горные породы показывают, как вода изменила строение Земли 3,1 млрд лет назад
Геологи, изучающие одни из древнейших вулканических пород планеты, обнаружили новые доказательства того, что вода играла важную роль в формировании внутреннего строения Земли и стимулировании вулканической активности более 3 миллиардов лет…
Пожар на НПЗ на Кубани, эвакуация в Таганроге и 376 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Силы ПВО ночью перехватили и уничтожили 376 украинских беспилотников самолетного типа над российскими регионами и акваторией Азовского моря, сообщили в Минобороны РФ. Пожар произошел на территории Ильского НПЗ в Северском…
ФСБ РФ сорвала планы Киева устроить теракт на военном аэродроме в Ростове-на-Дону
Главное управление разведки Минобороны (ГУР МО) Украины готовило масштабный теракт на военном аэродроме в Ростове-на-Дону с применением FPV-дронов с искусственным интеллектом (ИИ), заявили в Центре общественных связей (ЦОС) ФСБ России.…
Исчерпание запаса веры у России и лицемерие Запада. Заявления глава МИД России Сергея Лаврова
Российская сторона окончательно исчерпала свой запас веры в наличие у западных стран желания договариваться. Об этом заявил глава МИД РФ Сергей Лавров на пресс-конференции по итогам переговоров с министром иностранных…
Запад настроен сражаться с Россией до последнего
Разногласия внутри НАТО и ЕС нам, конечно, стоит учитывать. Однако ни в коем случае нельзя их преуве...
Разнообразная игровая среда связана с улучшением коммуникативных навыков у детей
Разнообразие и количество игрушек, имеющихся в доме, могут отражать не только покупательские привычк...
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)".