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.
Причиной коллапса цивилизаций бронзового века назвали изменения орбиты Земли
Климатологами из Швеции удалось установить, что катастрофу бронзового века, случившуюся в XII веке до нашей эры, спровоцировали изменения в орбите Земли, сделавшие климат Леванта и Балкан более засушливым. Об этом…
Острова теряют биоразнообразие, которое делало их уникальными
Острова издавна служили естественными лабораториями для изучения эволюции и экологии, вдохновляя на создание основополагающих идей, начиная от теории эволюции Дарвина и заканчивая самой островной биогеографией. Новые исследования показывают, что многие…
MX: Названа привычка, которая ведет к сокращению объёма мозга
У любителей подолгу смотреть телевизор в зрелом возрасте могут развиваться негативные структурные трансформации головного мозга. В ходе нового исследования специалистами были изучены данные почти 1,7 тысячи добровольцев. За испытуемыми вели…
Погибшие в Ростове-на-Дону, пострадавшие в Белгороде и 276 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили 276 украинских беспилотников над российскими регионами, а также акваториями Черного и Азовского морей, сообщили в Минобороны РФ. Два человека погибли, еще пять получили…
ВС РФ ночью продолжили атаковать порты Украины
ВС РФ ночью продолжили нанесение ударов по портам Украины, используемым в интересах доставки грузов для ВСУ. Как сообщили в Минобороны России, в порту Николаев поражены два сухогруза. "Сегодня ночью Вооруженными…
Выпущенный Западом джинн из бутылки, ВС РФ в Арктике и единство России. Заявления президента Путина
Наличие Вооруженных сил России в Арктической зоне никому не угрожает, но обеспечивает интересы страны. Об этом заявил президент РФ Владимир Путин на встрече с военнослужащими ВМФ. Он также назвал чрезвычайно…
Для чего Токио представляет приветственный кивок Лаврова как «переговоры»?
Характеризуя сложившиеся после начала специальной военной операции против киевского неонацистского р...
Столкновения черных дыр рассказывают историю повторяющихся слияний
Слияние черных дыр — одно из самых энергетически мощных, массивных и необычных событий во Вселенной....
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)".