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.
Ношение обуви объясняет, почему у людей ступни изящнее, чем у неандертальцев
У неандертальцев были более крепкие пяточные кости, чем у нас, и хотя генетика, вероятно, объясняет большую часть этого различия, факторы современного образа жизни могут быть, по крайней мере частично, ответственны…
Шмели могут заниматься самолечением, когда их колония сталкивается с патогеном
В новом исследовании, опубликованном в журнале Royal Society Open Science, шмели-бурохвостые (Bombus terrestris), подвергшиеся воздействию грибка, убивающего расплод, изменили свои пищевые привычки, переключившись на нектар, содержащий природное антимикробное соединение. Это…
Что-то в облаках Венеры поглощает поразительное количество солнечного света
Новые исследования устанавливают строгие ограничения на неизвестное «вещество», ответственное за темные ультрафиолетовые пятна на Венере, предполагая, что оно должно поглощать солнечный свет с удивительной эффективностью или существовать в необычно высоких…
Атаки на логистический центр в Екатеринбурге и 239 БПЛА. Последствия ударов ВСУ на российские регионы
Беспилотники и их обломки попали в жилые дома и логистический центр в Екатеринбурге. Погибших нет, сообщил губернатор Свердловской области Денис Паслер. Средства ПВО в течение ночи перехватили и уничтожили над…
Повреждения складов и энергетического объекта. Ситуация на Украине
Склады загорелись в Деснянском районе Киева, сообщили в городской военной администрации. Энергетический объект получил повреждения в Черниговской области на севере Украины, заявил глава региональной администрации Вячеслав Чаус. ТАСС собрал основное…
В Крыму задержали двух передававших спецслужбам Киева данные об объектах МО
Сотрудники ФСБ задержали в Крыму по подозрению в госизмене двух россиян, которые передавали Украине данные об объектах Минобороны России на полуострове и организовывали схроны со взрывчаткой для терактов. Об этом…
Американские авианосцы отправляются в прошлое
ВМС США приказано пойти на радикальный шаг – отказаться от использования электромагнитных катапульт ...
ИИ раскрыл скрытые решения, которые принимают человеческие глаза во время чтения
Модель искусственного интеллекта раскрывает скрытые решения, лежащие в основе человеческого чтения, ...
Что можно ждать от поколения, представители которого способны произнести фразу: «Я ТАКОЕ мороженое не люблю».
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)".