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 с возрастом скорость ходьбы снижается
Голеностопный сустав выполняет сразу две функции. Он поглощает вес при соприкосновении стопы с землей и толкает вперед перед следующим шагом – две задачи, которые отчасти работают друг против друга. На…
Астероид, уничтоживший динозавров, оставил после себя не только огромный кратер
Многие склонны понимать астероид, уничтоживший динозавров, как один ужасный день, мгновение огня и разрушения, положившее конец целой эпохе. История, как правило, на этом заканчивается, смертью. Однако под обломками что-то продолжало…
Вращение галактики скрывается в гуле гравитационных волн
Млечный Путь стоит представить не как безмолвное звёздное колесо, а как нечто, тихо поющее. По нему разбросаны миллионы пар мёртвых звёзд, в основном белых карликов, вращающихся друг вокруг друга и…
МО: за ночь над регионами РФ и акваторией Черного моря сбили 157 украинских БПЛА
Российские средства ПВО в течение ночи перехватили и уничтожили 157 украинских БПЛА над регионами РФ и акваторией Черного моря. Об этом сообщили в Минобороны России. "В течение ночи в период…
ФСБ задержала в трех регионах России пособников спецслужб Киева, готовивших теракты
Сотрудники ФСБ задержали в Тюменской области, Краснодарском крае и Адыгее троих пособников спецслужб Украины, готовивших теракты. Об этом сообщили в Центре общественных связей (ЦОС) ФСБ России. ТАСС собрал основное о…
Российский фрегат «Адмирал Григорович» произвел упредительную стрельбу по курсу британской яхты в Ла-Манше
Экипаж фрегата "Адмирал Григорович" в Ла-Манше обнаружил яхту Bright Future под флагом Великобритании, следовавшую опасным курсом на сближение с кораблем. Как заявили в Минобороны России, было принято решение произвести упредительную…
Украина в Гааге полностью проиграла России пролив и море
Постоянная палата третейского суда в Гааге отклонила все ключевые претензии Киева к Москве – о стату...
Российские ученые научились вычислять главный источник вреда для здоровья
Учеными из ПНИПУ разработана математическая модель, способная оценить комплекс рисков для здоровья о...
Работа - это такая вещь, которая мешает получать удовольствие от жизни, помогая получать удовольствие от жизни.
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)".