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.
Один из самых мощных вулканов на Земле спокойно пополняется магмой
Примерно 7300 лет назад вулкан у берегов японского острова Кюсю произвел то, что до сих пор остается крупнейшим известным извержением голоцена, нашей нынешней геологической эпохи. В новом исследовании ученые показали,…
Ключевые океанические течения замедляются в районах Атлантического океана
Измерения с помощью буев показывают, что Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция (АМОК), которая смягчает климат Европы, ослабевает на четырех разных широтах, что является самым убедительным на сегодняшний день свидетельством замедления этой…
125 000 лет назад дети неандертальцев охотились на черепах, но не для еды
Международная исследовательская группа под руководством профессора Сабины Гаудзински-Виндхойзер из Института древних исследований Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) и археологического исследовательского центра и музея MONREPOS, входящего в состав Лейбницкого центра…
МО: за ночь над регионами России сбили 151 украинский БПЛА
Силы ПВО за ночь сбили 151 украинский БПЛА над регионами России, заявили в Минобороны РФ. ТАСС собрал основное о последствиях ночной атаки беспилотников. Масштаб В течение прошедшей ночи дежурные средства…
Хинштейн: ВСУ атаковали из артиллерии приграничье Курской области 25 раз за сутки
В Курской области 32 беспилотника ВСУ сбиты за прошедшие сутки, 25 раз украинские войска обстреляли из артиллерии отселенные районы региона. Погибших и пострадавших нет, сообщил губернатор региона Александр Хинштейн. "Всего…
ЦБ отозвал лицензию у «Банка РМП» из-за нарушений законодательства
Банк России отозвал лицензию на осуществление банковских операций у "Банка РМП" ("Банк развития и модернизации промышленности") из-за нарушений требований законодательства в сфере противодействия легализации доходов, полученных преступным путем, сообщили в…
Литва наказана за враждебную ставку против Китая
«C этим выбором литовцы по-крупному сели в лужу». Такими словами политологи комментируют громкие зая...
Выявлены скрытые закономерности строительства сотен мегалитических памятников
В исследовании с использованием искусственного интеллекта и пространственного анализа объясняется, п...
Март - блины, апрель - куличи, май - шашлыки... и куда, скажите, мне втиснуть эту вашу диету?!
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)".