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.
Резной камень с изображением жертвенных животных найден в древнем римском городе
Главными находками этого года на раскопках в Аквинуме, римском городе в центральной Италии, стали резной камень с изображением трех жертвенных животных, связанных с одним из самых торжественных ритуалов Рима, и…
В Норвегии обнаружена редкая каменная гробница возрастом 4000 лет
То, что на первый взгляд выглядело как древний очаг, оказалось редкой каменной гробницей-камерой возрастом 4000 лет в Хальдене, на юго-востоке Норвегии. Это одна из всего лишь около 20 каменных камер,…
Земля и Марс родились из одной пыли, но выросли совершенно разными
Земля и Марс образовались по-разному, и доказательство этому заложено в их химическом составе. Новое исследование показало, что по меньшей мере 75% каменистой массы Земли образовалось из тел, которые постепенно поглощали…
Президенту России Владимиру Путину 7 октября исполняется 74 года
7 октября 2026 года исполняется 74 года президенту РФ Владимиру Путину. Происхождение, образование, ученая степень Владимир Владимирович Путин родился 7 октября 1952 года в Ленинграде (с сентября 1991 года -…
МО: за ночь над регионами России сбили 311 украинских БПЛА
Средства ПВО за прошедшую ночь перехватили и уничтожили над регионами РФ и акваториями Черного и Азовского морей 311 украинских БПЛА самолетного типа. Об этом сообщили в Минобороны России. "В течение…
Атака безэкипажных катеров на танкер и пожар в Черном море. Главное о ситуации
Безэкипажные катера атаковали у побережья Черного моря судно с грузом нефти, которое шло под флагом Либерии. Об этом сообщили в Минтрансе России. По предварительной информации, пострадавших нет. ТАСС собрал основное…
Бездомная старушка довела фаворита Китая в Испании до политического краха
Решение испанского премьера Педро Санчеса назначить досрочные выборы в парламент – это почти гаранти...
Колонизация Австралии привела к резкому росту угрозы лесных пожаров
Анализ донных отложений, охватывающий период в 1000 лет, показал, что колонизация Австралии привела ...
Финляндия ограничила доступ к полученным из России документам до 9999 года. А они таки оптимисты!
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)".