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.
В Конго обнаружен новый вид обезьян с необычными оранжевыми губами
Обезьяна с характерной маскообразной мордой, обнаруженная в отдаленном районе Демократической Республики Конго, объявлена новым видом – всего лишь пятым новым видом обезьян, зарегистрированным в Африке за последние 75 лет. Результаты…
Перепись звёзд подтверждает, что возраст Вселенной составляет 13,8 млрд лет
Астрономы использовали возраст более 155 000 звезд в Млечном пути для независимой оценки возраста Вселенной, и их результаты могут стать хорошей новостью для стандартной космологической модели. Новое исследование было опубликовано…
Стало известно, почему личинки пчёл не чувствуют запахи
Группа ученых в ходе нового исследования выяснила, что личинки медоносных пчел почти не ощущают запахи. Это не отклонение развития, не ошибка природы, а последствие того, как устроена жизнь улья. Пчелы …
МО: за ночь над регионами России сбили 243 украинских БПЛА
Российские средства ПВО перехватили и уничтожили в течение ночи над регионами РФ, акваториями Азовского и Черного морей 243 украинских БПЛА. Об этом сообщили в Минобороны России. С 20:00 мск 16…
Шуваев: в Белгородской области при атаках ВСУ погиб человек
ВСУ атаковали территорию Белгородской области более 95 раз за прошедшие сутки. В результате атак погибла мирная жительница, еще пять человек получили ранения, сообщил врио губернатора региона Александр Шуваев в своем…
Поражены порты в Одесской области. Что известно о новых ударах ВС России
Российские войска в ночь на 17 июля нанесли удары по украинским портам, которые используются для доставки грузов ВСУ, сообщили в Минобороны РФ. ТАСС собрал основное о результатах. Сообщение Минобороны ВС…
Демарш Болгарии в отношении Украины удивил Европу
Став первым государством, официально покинувшим так называемую коалицию желающих, Болгария и ее руко...
Креветок обучают питаться в условиях микрогравитации для создания лунных баз
Насколько известно, в космосе естественным образом не существует пищи. Нам придётся брать её с собой...
Парадокс нашего времени, молодым человеком могут считать лет до 40, при этом кризис среднего возраста может наступить в 30.
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)".