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.
Неуловимая короткоухая собака может процветать в нетронутых лесах Амазонии
Сотни записей с фотоловушек из Боливии и Перу позволяют предположить, что короткоухая собака (Atelocynus microtis), один из наименее изученных представителей семейства псовых в мире и один из наименее изученных хищников…
В Испании обнаружен новый вид древней медведицы-собаки
Палеонтологи идентифицировали ранее неизвестный вид амфиционидов — вымершего семейства плотоядных млекопитающих, широко известных как медведи-собаки, — по двум экземплярам, найденным в богатом ископаемом месторождении в бассейне Вальес-Пенедес недалеко от Барселоны,…
В Монтане на месте убийства бизона раскрывается тайна, существовавшая 1100 лет
На протяжении веков коренные охотники возвращались к небольшому месту охоты на бизонов в центральной Монтане, регионе на севере Соединенных Штатов, сформированном обширными травянистыми равнинами Великих равнин. Затем, около 1100 лет…
Погибшие в Туле и 123 БПЛА. Последствия атаки ВСУ на российские регионы
Средства ПВО перехватили и уничтожили за ночь над российскими регионами, акваториями Черного и Азовского морей 123 украинских беспилотника, сообщили в Минобороны РФ. Украинские беспилотники атаковали жилой сектор Тулы. По предварительным…
Массированный удар ВС России по объектам ОПК Украины. Главное
Российские войска ударили по украинским объектам оборонно-промышленного комплекса (ОПК), военным аэродромам и территориальным центрам комплектования в Киеве, Харькове и Днепропетровске. Об этом сообщили в Минобороны РФ. ТАСС собрал основное об…
Сделка между США и Ираном: ключевые заявления сторон и международная реакция
США и Иран достигли договоренности об урегулировании конфликта. 19 июня в Женеве запланировано подписание соглашения. С 15 июня объявляется окончание морской блокады Ирана со стороны США, а также немедленное и…
Войска НАТО начали окружать Россию с севера
В финском городе Рованиеми создан сухопутный штаб НАТО. На 13 июня запланирована официальная церемон...
Древнейшая цивилизация в Америке была полностью мирной и занималась музыкой
За тысячи лет до того, как воинственные империи инков, ацтеков и майя пробились к господству, первые...
А вот если ты уверен, что завтра будет хуже, чем сегодня, это ведь тоже своего рода уверенность в завтрашнем дне?
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)".