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.
Самое длинное перо, найденное в янтаре, дает подсказки о происхождении полета
Перо с опахалом, застрявшее в бирманском янтаре около 99 миллионов лет назад, в сеноманский период мелового времени, является самым длинным из описанных на сегодняшний день трехмерно сохранившихся образцов такого рода.…
Вулканический пепел раскрывает истинные причины извержения
Микроскопические данные, полученные из вулканического пепла, позволяют понять, как магма распадается, восстанавливается и снова соединяется во время взрывных извержений. Результаты исследования опубликованы в журнале Geology. Когда произошло извержение вулкана Этна,…
Спустя 15 лет «инопланетная мегаструктура» по-прежнему остается необъясненной
Звезда, расположенная в 1470 световых годах от нас, тускнеет неравномерно, на целых 22%. Её обнаружили добровольцы-любители, в заголовках газет появлялись сообщения об инопланетных мегаструктурах, и единого объяснения всему наблюдаемому нет.…
Погибшие в Смоленской области и пострадавшие в Усть-Луге. Последствия атак БПЛА на российские регионы
Средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили 627 украинских беспилотников над российскими регионами и акваторией Азовского моря, сообщили в Минобороны РФ. Два человека погибли в результате массированной атаки БПЛА ВСУ…
Пострадавшие и 150 БПЛА. Последствия самой массированной атаки на Ленинградскую область с начала года
В ночь на 11 ноября на Ленинградскую область была совершена массированная атака беспилотников. При ударе по портовой зоне Усть-Луга произошло возгорание, пострадали три человека. ТАСС собрал основную информацию о случившемся.…
Поражены объекты энергетики и суда с грузами для ВСУ. Удары ВС РФ по целям на Украине
Российские военные продолжают нанесение ударов беспилотными летательными аппаратами по объектам энергетической инфраструктуры, обеспечивающим работу предприятий военной промышленности Украины, морским судам с военным имуществом и грузами двойного назначения, используемым в интересах…
МВД России меняет логику миграционного контроля
МВД подводит промежуточные итоги масштабной работы по наведению порядка в миграционной сфере: за год...
Найдены доказательства существования первобытной воды на краю Солнечной системы
Солнечная система — довольно сырое место. Хотя большая часть поверхности Земли покрыта жидкой водой,...
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)".