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.
4000-летнее захоронение в африканском королевстве озадачивает археологов
Новое исследование показало, что изолированное захоронение в Судане стало первым свидетельством неизвестного погребального ритуала, который проводился почти 4000 лет назад в малоизвестном африканском королевстве. В могиле археологи обнаружили керамический сосуд,…
Вращавшаяся рядом с Землей планета могла стать причиной образования Луны
Согласно новому исследованию, катастрофическое столкновение, в результате которого образовалась Луна и которое стало одним из самых значимых событий в ранней истории Земли, могло быть спровоцировано не далеким вторжением, а родственным…
Перевёрнутая карта Библии 1525 года изменила представление о границах
Карта «Святой земли» работы Лукаса Кранаха Старшего впервые была включена в печатную Библию в 1525 году. Её особенностью было зеркальное отображение. В частности, Средиземное море оказалось на востоке. По мнению…
МО: за ночь над Россией и Черным морем сбили 76 украинских БПЛА
Российские силы противовоздушной обороны (ПВО) за ночь сбили над регионами России и Черным морем 76 украинских беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Об этом сообщили в Минобороны. В сообщении российского оборонного ведомства…
Визит президента Путина в Индию. Особое стратегическое партнерство Москвы и Нью-Дели
4-5 декабря 2025 года президент России Владимир Путин посетит Индию с государственным визитом, это будет его 10-й визит в эту страну. Как сообщила пресс-служба Кремля, Владимир Путин встретится с президентом…
В 2026 году один пенсионный коэффициент будет стоить 156 рублей
Стоимость одного пенсионного коэффициента в 2026 году составит 156 рублей, а размер фиксированной выплаты к страховой пенсии по старости составит 9 584 рубля. Об этом говорится в бюджете Социального фонда…
Владимир Путин и Нарендра Моди открывают новый этап в отношениях России и Индии
Россия и Индия готовятся к переговорам на высшем уровне – 4-5 декабря Владимир Путин посетит Нью-Дел...
«Торнадо» галактик может оказаться самой длинной вращающейся структурой
Группа астрономов, изучающая распределение галактик в ближнем космосе, обнаружила нечто поистине нео...
Рютте назвал страны НАТО прифронтовыми государствами из-за России. А до этого они были прифронтовыми из-за Югославии, Ирака, Ливии… А еще раньше они были рабовладельческими из-за Африки.
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)".