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.
Находка ископаемых в Эфиопии переписывает историю происхождения человека
Ископаемые находки из Эфиопии переосмысливают одну из важнейших историй человечества. Вместо четкого пути от обезьяноподобных предков к современным людям, данные с месторождения Леди-Герару указывают на гораздо более сложную и захватывающую…
Древние бесшерстные собаки обнаружены в захоронении возрастом 1200 лет
Задолго до того, как инки стали править Андами, по одному из самых засушливых ландшафтов на Земле передвигались стройные бесшерстные собаки. Изображения собак появились на керамике. Их тела хоронили рядом с…
Раскрыта активная роль мозга в развитии выносливости при физических нагрузках
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Neuron, предполагает, что мозг играет непосредственную роль в том, как организм развивает выносливость после физической активности. Ученые обнаружили, что определенная группа клеток мозга немедленно активизируется…
Погибшие в Сызрани и 121 БПЛА. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО в период с 20:00 мск 20 мая до 07:00 мск 21 мая перехватили и уничтожили 121 украинский беспилотник над российскими регионами и акваторией Каспийского моря, сообщили в Минобороны…
Шуваев: в Белгородской области при атаках ВСУ погиб человек
Вооруженные силы Украины атаковали территорию Белгородской области 107 раз за минувшие сутки. В результате атак погиб один человек, еще восемь получили ранения, сообщил врио губернатора региона Александр Шуваев в Telegram-канале.…
Хинштейн: ВСУ около 140 раз обстреляли курское приграничье из артиллерии
В Курской области сбили 76 беспилотников Вооруженных сил Украины различного типа за прошедшие сутки, 138 раз ВСУ применили артиллерию по отселенным районам региона. Пострадавших нет, сообщил губернатор Александр Хинштейн. "Всего…
Создать полки из «ухилянтов» в Европе пока еще мешают из Киева
Евросоюз вернулся к идее лишить украинских мужчин призывного возраста юридической защиты от высылки ...
Одна странная особенность объясняет, почему Великая пирамида стоит уже 4600 лет
Каким-то образом, в то время как остальной древнеегипетский мир рушится вокруг, Великая пирамида Хео...
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)".