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.
Новое исследование проливает свет на психологический рецепт обиды
Новое исследование, опубликованное в журнале Personality and Social Psychology Bulletin, предоставляет доказательства того, что затаенная обида обусловлена специфическим эмоциональным сочетанием обиды и гнева. Результаты показывают, что когда эти две эмоции…
medRxiv: Ранним маркером болезни Альцгеймера может быть воспаление кожи
Первые признаки болезни Альцгеймера могут проявляться не в мозге, а в других органах — в частности, в коже, легких или кишечнике. Таков вывод исследователей из Университета Индианы, сделанный на основе…
Geology: Странные следы древней жизни найдены в неожиданном месте
Международной группе ученых удалось обнаружить нестандартные следы древней микробной жизни в горах Марокко. Открытие стало неожиданностью, потому что подобные структуры, как ранее было принято считать ранее, не могут складываться в …
МО: за ночь над регионами России сбили 185 украинских БПЛА
Силы ПВО за ночь уничтожили и перехватили 185 украинских беспилотников над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. Массированную атаку беспилотников отразили в Таганроге и пяти районах Ростовской области, повреждения получила…
Шесть человек погибли и 37 пострадали. ВСУ нанесли ракетный удар по Брянску
Вооруженные силы Украины ударили по Брянску, шесть человек погибли, сообщил губернатор региона Александр Богомаз. Цех одного из предприятий поврежден. ТАСС собрал основное о произошедшем. ВСУ ударили ракетами по Брянску, сообщил…
Хинштейн: ВСУ за сутки 80 раз обстреляли из артиллерии курское приграничье
Вооруженные силы Украины атаковали с помощью 26 беспилотников различного типа территорию Курской области за прошедшие сутки, 80 раз применили артиллерию по отселенным районам. Об этом сообщил губернатор региона Александр Хинштейн.…
США воюют с Ираном ради второго пришествия
Принято считать, что за агрессией США и Израиля против Ирана кроются чисто экономические интересы – ...
Самые яркие взрывы во Вселенной могли быть вызваны нейтронными звёздами
В 2003 году астрономы стали свидетелями взрыва умирающей звезды, которая была ярче всего, что наблюд...
Когда вам покажется, что вы не справитесь, вспомните, что вы из поколения, которое писало сочинения на три страницы. Из головы! Ручкой на большой перемене!
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)".