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.
Поставлено под сомнение главное оружие охотников на мамонтов
В научной среде долго бытовало мнение, что в древности охотники Северной Америки охотились на мамонтов и другую мегафауну при помощи атлатля — метательного приспособления, которое использует рычаг для увеличения скорости…
Случайные колебания времени могут помочь разгадать величайшую загадку гравитации
Самый сложный вопрос в физике на данный момент — это то, как общая теория относительности — законы, управляющие гравитацией и пространством-временем в больших масштабах — сочетается с квантовой механикой, законами,…
Древний раскол континента способствовал образованию ледяного щита Антарктиды
Когда Антарктида отделилась от Африки во время распада суперконтинента Гондвана 160 миллионов лет назад, этот разрыв не только разделил континенты. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, он, возможно, также спровоцировал…
Президент Путин провел совещание в пункте объединенной группировки. Главное
Президент России Владимир Путин посетил один из вспомогательных пунктов Объединенной группировки войск в зоне СВО. Российский лидер отметил, что стратегическая инициатива сохраняется за вооруженными силами РФ. Путин поручил проанализировать вовлеченность…
МО: за ночь над регионами России уничтожили 389 украинских БПЛА
Средства ПВО за ночь на субботу перехватили и уничтожили 389 украинских беспилотников над регионами России, акваториями Черного и Азовского морей. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "В течение ночи в…
Хинштейн: за сутки артиллерия ВСУ 93 раза обстреляла Курскую область, также сбиты 123 БПЛА
Артиллерия ВСУ обстреляла 93 раза приграничье Курской области, в регионе сбито 123 беспилотника ВСУ разного типа. Об этом сообщил губернатор Александр Хинштейн. "Всего в период с 9:00 3 июля до…
Юбилей США не радует даже самих американцев
США празднуют 250-летний юбилей в ужасном настроении. Только половина американцев испытывают гордост...
Радар обнаружил в Узбекистане скрытый 2000-летний греческий военный лагерь
Хотя образ Александра Великого широко распространен в народе, он был талантливым военным стратегом, ...
Всегда смущало наличие в ПДД гужевой повозки. Сейчас вообще вопросов не возникает.
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)".