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.
Ученые выяснили, почему стареющие мышцы перестают восстанавливаться
Скелетные мышцы — одна из первых тканей, которая с возрастом начинает атрофироваться, и проблема может заключаться не столько в отсутствии сигнала к восстановлению, сколько в его повреждении. Команда исследователей в…
Звук на Марсе работает совершенно непредсказуемо
Скорость света в вакууме — одна из самых надежных величин, поскольку она движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Она может немного замедлиться, проходя через такую среду, как…
В «кладбище» Млечного пути могут скрываться 170 миллионов черных дыр
Черные дыры коварны. Если только они не устроят редкое охотничье безумие, чтобы осветить окрестности, очень трудно заметить их присутствие. Из-за этого сложно точно определить, сколько невидимых чёрных дыр звёздной массы…
Погибшие и пострадавшие в Подмосковье и 320 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО в течение прошедшей ночи 4 августа перехватили и уничтожили 320 украинских беспилотников над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. По последним данным, пять человек погибли, 10 пострадали в…
Мирошник: за неделю 49 мирных жителей России погибли от ударов ВСУ
Почти 50 жителей субъектов РФ, включая 4 детей, на неделе погибли от ударов ВСУ, свыше 340 человек, в их числе 16 несовершеннолетних, получили ранения. Об этом ТАСС сообщил посол по…
Развожаев: под Севастополем при стрельбе погибли четыре человека
Четыре человека погибли, еще четверо получили ранения в результате стрельбы в селе Хмельницком под Севастополем. Подозреваемый задержан, пострадавшим оказывается помощь, сообщил губернатор города Михаил Развожаев в "Максе". По предварительной информации,…
В Эстонии тянут ручонки к шедевру русского православия
Продать, демонтировать или превратить в «музей». Именно так звучит набор предложений, которые сегодн...
Горбатые киты исполняют разные части своих песен на разной глубине
Самцы горбатых китов могут петь часами без перерыва, их песни разносятся на многие километры под вод...
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)".