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.
Свекла и кактусы обладают общим красным пигментом, помогающим выживать в пустыне
Возможно, яркие пигменты помогали родственникам кактусов переносить засуху еще до того, как сочность стала важной стратегией выживания. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале New Phytologist. Взгляните на кактус, и…
Учёные объяснили, как звёзды создают и доставляют элементы, формирующие жизнь
Ученые как никогда близки к пониманию того, как звезды формируют элементы, из которых состоят наша планета, небесные тела и практически все остальное вокруг нас, — и они получают более четкое…
Некоторые пчелы видят мир с поразительной точностью
Мелкие виды пчел могут обладать удивительно острым зрением, что доказывает, что для четкого зрения не всегда нужны большие глаза. Пчелы используют зрение во многих аспектах своей повседневной жизни. Они полагаются…
Погибший и раненые при ударе по дому в Перми и 306 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО в течение прошедшей ночи перехватили и уничтожили 306 украинских беспилотников над российскими регионами, а также над акваториями Черного и Азовского морей. Об этом сообщили в Минобороны РФ. Многоквартирный…
Поражены погрузочный комплекс в Измаиле и патрульный катер. Удары ВС РФ по объектам на Украине
Вооруженные силы России продолжили нанесение ударов по портовой инфраструктуре и морским судам, задействованным в интересах ВСУ, сообщили в Минобороны РФ. В порту Измаил был поражен производственно-погрузочный комплекс, который использовался для…
Шуваев: за сутки в Белгородской области от атак ВСУ погибли три человека
Вооруженные силы Украины продолжают атаковать территорию Белгородской области, за сутки в результате ударов погибли три человека, еще семь получили ранения. Об этом сообщил врио губернатора региона Александр Шуваев. "К большому…
Япония захотела вырвать хризантему из советской Победы
Япония потребовала убрать изображение хризантемы с мемориального комплекса «Победа на Востоке» в Хаб...
Арктические реки нарушают законы эрозии
Учёные должны следовать данным, даже если они кажутся им бессмысленными. В такой ситуации недавно ок...
- Алло, это Ветслужба? Я бы хотел зарегистрировать кроликов в своём подсобном хозяйстве...
- Хорошо. Сколько их у вас?
- Пятнадцать...
- Сколько?
- Семнадцать...
- Пятнадцать, или семнадцать?
- Двадцать один...
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)".