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.
Анализ окаменелостей гомининов позволил реконструировать облик денисовцев
После повторного анализа коллекции останков гомининов, впервые обнаруженных в Китае в 1970-х годах, исследователи установили, что по крайней мере некоторые из ископаемых из этой коллекции принадлежат не новому виду древних…
Три из пяти массовых вымираний на Земле могли быть не такими, как считалось
Палеонтологи использовали машинное обучение для систематизации ископаемых данных в потенциально наиболее точную хронологию доисторической эпохи Земли, когда-либо созданную, и это ставит под сомнение распространенное мнение о пяти массовых вымираниях. Другие…
Ранние хищные динозавры пережили значительные изменения в своей экосистеме
Найденная на юге Бразилии единственная кость свидетельствует о том, что герреразавриды, одни из первых крупных плотоядных динозавров, сохранились и после изменения окружающей их фауны. Новое исследование было опубликовано в журнале…
МО: за ночь над регионами РФ сбили 290 украинских БПЛА
Российские средства противовоздушной обороны за минувшую ночь перехватили и уничтожили 290 украинских беспилотников самолетного типа над 16 областями России. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "В течение прошедшей ночи с…
Двое погибших и 113 БПЛА ВСУ. Последствия атаки на Воронежскую область
Двое мужчин погибли, еще 17 человек, в том числе ребенок, получили ранения в результате атаки ВСУ на Воронежскую область. Об этом сообщил губернатор региона Александр Гусев в "Максе". По его…
Лула да Силва против Болсонару. Итоги голосования в Бразилии
Высший избирательный суд Бразилии (выполняет функции ЦИК) завершил подсчет голосов второго тура президентских выборов. Согласно итоговым данным после обработки 100% протоколов, действующий глава государства Луис Инасиу Лула да Силва официально…
Массовые протесты в Европе – следствие завышенных ожиданий
Европейская политика строилась на неписаном обещании, что каждое новое поколение будет жить лучше пр...
Астрономы разрешили парадокс возраста туманности Ориона
Астрономы, изучающие формирование звёзд в туманности Ориона, давно отмечают парадокс. Некоторые из з...
Эксперт не исключил также, что существует вероятность, когда при возникновении сочетания некоторых условий могут возникнуть предпосылки для развития того или иного сценария из широкого спектра возможных. Хотя не надо огульно отбрасывать и множенство других потенциальных вариантов.
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)".