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.
Повышение уровня моря ускоряется, и теперь ученые узнали главную причину этого
Тщательный пересмотр научных данных показал, что темпы повышения уровня моря ускоряются, и основной причиной этого может быть не то, что кажется. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Science Advances. Хотя…
Место падения уничтожившего динозавров астероида оставалось горячим миллионы лет
Удар астероида, истребившего динозавров, был настолько сильным, что для охлаждения места падения потребовалось не менее 8 миллионов лет, в результате чего в подземной экосистеме процветала микроскопическая жизнь. Результаты нового исследования…
Cortex: Найден надёжный маркер когнитивного спада у пожилых до явных симптомов
Итальянским ученым удалось установить, что единичный объемный снимок мозга в начале наблюдений может предсказать ментальный спад точнее, нежели привычное отслеживание темпов атрофии в течение нескольких лет. Итоги исследования опубликованы в …
326 украинских БПЛА, пострадавшие в Самарской области и удар по зданию панорамы в Севастополе. Атаки ВСУ на российские регионы
Средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили над российскими регионами и акваторией Черного моря 326 украинских БПЛА самолетного типа. Об этом сообщили в Минобороны РФ. Три человека пострадали в результате…
Шуваев: за сутки в Белгородской области от атак ВСУ погибли два человека
Вооруженные силы Украины (ВСУ) продолжают атаковать территорию Белгородской области, за минувшие сутки в результате ударов погибли два человека, еще четверо ранены. Об этом сообщил врио губернатора Александр Шуваев. "К большому…
Чебоксары подверглись ракетной атаке
Чебоксары подверглись ракетной атаке, сообщил глава Чувашской Республики Олег Николаев в канале в "Максе". По последним данным, пострадали три человека. ТАСС собрал основное о последствиях. Атака на Чебоксары Ранним утром…
Лондонский ультиматум: Зеленский и европейские глобалисты хотят для себя «справедливого мира»
На днях в Лондоне состоялась встреча лидеров Британии, Германии и Франции, а также примкнувшего к ни...
Лунный метеорит сохранил свидетельства столкновения с колоссальным астероидом
Планетологи, анализируя лунный метеорит, известный как Северо-Западная Африка (NWA) 12593, обнаружил...
Не так страшно, что искусственный интеллект умнеет, как то, что естественный интеллект глупеет.
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)".