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.
EHJ: Названы популярные пищевые консерванты, повышающие риск инфаркта
Масштабное эпидемиологическое исследование, к которому были привлечены 112 395 человек, позволило выявить связь между употреблением пищевых консервантов и повышением рисков гипертонии и сердечно-сосудистых патологий. Работу проводили в рамках французского когортного…
Открытие в некрополе переосмысливает истоки египетской пирамидальной архитектуры
Пески, окружающие восточный берег Нила в провинции Минья, выявили ряд погребальных свидетельств, которые заставляют пересмотреть устоявшиеся представления об эволюции монументальной архитектуры в фараонском Египте. Группа египетских археологов из Высшего совета…
Ученые выяснили, как «общаются» разные животные, чтобы наладить сотрудничество
Международная группа из 57 исследователей изучает механизмы, позволяющие животным разных видов понимать друг друга. Сотрудничество между животными разных видов представляет собой одно из самых захватывающих явлений в поведенческой биологии, и…
МО: за ночь над регионами России сбили 239 украинских БПЛА
Беспилотники уничтожили над территориями Астраханской, Белгородской, Брянской, Курской, Орловской, Ростовской областей, Краснодарского края, Республики Крым, Республики Адыгея, а также над акваториями Азовского и Черного морей Российские средства ПВО перехватили и…
Аксенов: из-за атаки БПЛА ВСУ на Керченский полуостров погибли четыре человека
На Керченском полуострове от атаки БПЛА ВСУ погибли 4 человека и 28 пострадали. Об этом в "Максе" сообщил глава Республики Крым Сергей Аксенов. "В результате атаки вражеских БПЛА на Керченский…
В результате атаки БПЛА ВСУ на Керченской паромной переправе погиб человек
В Темрюкском районе на Керченской переправе атакован паром «Панагия». По предварительной информации один человек погиб, еще один – пострадал. Также в результате атаки БПЛА произошло возгорание на нефтяном терминале в…
Как Ирану удалось достойно выстоять против США
В Швейцарии завершился первый раунд переговоров Ирана и США – а значит, войну между двумя этими стра...
Птичий грипп официально поразил уже все континенты Земли
Высокопатогенный птичий грипп. H5N1. Или просто птичий грипп. После первого подтвержденного обнаруже...
Работа - это такая вещь, которая мешает получать удовольствие от жизни, помогая получать удовольствие от жизни.
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)".