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.
Найден способ снижения повреждений сердца после инфаркта
Исследователями из Медицинской школы Йельского университета предложен метод снижения рисков повреждений сердечной мышцы, которые вызываются нейтрофилами во время инфаркта. Методика заключается в переводе этих иммунных клеток в «ночной режим». Результаты…
Огромная черная дыра может быть остатком зарождения Вселенной
Астрономов озадачила черная дыра массой около 50 миллионов масс Солнца, не имеющая звезд, обнаруженная космическим телескопом Джеймса Уэбба. Теперь моделирование предполагает, что это может быть первичная черная дыра, чего мы…
Минерал метеорита проливает свет на происхождение жизни
Группой ученых Санкт-Петербургского университета впервые обнаружен минерал аммония в метеорите. Находка была сделана при изучении углистого хондрита Orgueil (CI), который упал во Франции в 1864 году. Результаты исследования опубликованы в…
МО: за ночь над регионами России сбили 129 украинских БПЛА
Средства противовоздушной обороны России за ночь сбили 129 украинских беспилотников самолетного типа над регионами РФ. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "В период с 23:00 мск 5 января до 07:00…
США хотят добиться движения своего флота по всему миру, заявил Хегсет
США намерены добиваться беспрепятственного прохода своего флота по всем основным водным артериям в мире, опираясь на модернизированные военно-морские силы, заявил глава Пентагона Пит Хегсет в понедельник. "При президенте (Дональде -…
От подростков до чиновников: названы самые громкие уголовные дела 2025 года
Аресты чиновников, отравление суррогатным алкоголем, нападения подростков на школы. Об уголовных делах, которыми запомнился 2025 год, — в материале ТАСС Аресты чиновников В минувшем году стало известно о нескольких громких…
Литва вступила в политически ужасный для себя 2026 год
«Наступивший год не сулит Литве ничего хорошего», – в интервью национальному радио заявил бывший мин...
AGU Advances: Тонкий лёд мог сохранить озёрную воду на замерзающем Марсе
На древнем Марсе могли в течение длительного периода существовать жидкие водоёмы, утверждают авторы ...
- Тебе, наверное, больше сорока?
- С чего ты взял?
- Пишешь без ошибок. Чувствуется Советская школа.
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)".