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.
Самые холодные звёзды в Галактике могут оказаться инопланетными мегаструктурами
С тех пор как физик Фримен Дайсон впервые предложил эту концепцию в 1960 году, «сфера Дайсона» стала священным Граалем для охотников за техногенными сигнатурами. Высокоразвитая цивилизация могла бы построить «сферу»…
Не только дикие, но и пьяные: в моче обезьян нашли метаболит этанола
Команде ученых из США из Калифорнийского университета в Беркли удалось подтвердить, что дикие обыкновенные шимпанзе (Pan troglodytes) употребляют значительные объёма этилового спирта. «Подозрения» существовали и раньше. Новая работа, которую опубликовали …
NM: Прошла первые испытания генная терапия избытка холестерина
Китайским биологам удалось успешно завершить первые клинические испытания экспериментальной генной терапий. Целью методики стало лечение семейной гиперхолестеринемии, рассказала публикация в Nature Medicine (NM). Гиперхолестеринемей, уточняют эксперты, называют аномально высокую концентрацию…
МО: за ночь над регионами России сбили 83 украинских беспилотника
Силы ПВО за ночь сбили 83 украинских беспилотника над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. Два человека погибли, 12 ранены при атаке ВСУ в Алешках Херсонской области. В Севастополе в…
Хинштейн: ВСУ за сутки 55 раз обстреляли из артиллерии курское приграничье
Вооруженные силы Украины атаковали с помощью 43 беспилотников различного типа территорию Курской области за прошедшие сутки, 55 раз применили артиллерию по отселенным районам. Об этом сообщил губернатор региона Александр Хинштейн.…
Иранский Красный Полумесяц: в стране повреждены 3643 гражданских объекта
В Иране 3 643 гражданских объекта, включая 3 090 жилых домов, получили повреждения в ходе ударов США и Израиля. Об этом сообщил глава иранского общества Красного Полумесяца Пир Хосейн Коливанд.…
Почему война США и Израиля с Ираном идет не по плану
Первые итоги агрессии коалиции США и Израиля против Ирана выглядят противоречиво. С одной стороны, к...
Крошечные зубки раскрыли тайну распространения древнейшего родственника приматов
Исследователи обнаружили крошечные окаменелые зубы самого раннего из известных родственников примато...
Когда вам покажется, что вы не справитесь, вспомните, что вы из поколения, которое писало сочинения на три страницы. Из головы! Ручкой на большой перемене!
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)".