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.
Меркурий мог получить всю свою неожиданную воду всего за один день
Около 100 миллионов лет назад поверхность Меркурия внезапно претерпела драматические изменения. До этого её поверхность была относительно сухой и свободной от льда — что неудивительно, поскольку дневная температура там может…
Ученые обнаружили атомную причину, по которой золото не ржавеет
Есть несколько веских причин, почему золото является одним из самых ценных металлов на Земле. Не последнюю роль в этом играет его ослепительный блеск. В отличие от многих других металлов, золото…
В древних канадских горных породах скрыт огромный источник природного водорода
Если водород станет широко доступен для заправки транспортных сетей и электросетей по всему миру, это действительно сможет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, которые происходят в настоящее время. Главная проблема…
МО: за ночь над регионами России сбили 348 украинских БПЛА
Российские средства ПВО с 20:00 мск 22 мая перехватили и уничтожили над регионами РФ, акваториями Черного и Азовского морей 348 украинских БПЛА самолетного типа. Об этом сообщили в Минобороны России.…
Ковальчук: в Брянской области после атаки ВСУ погиб мужчина
Вооруженные силы Украины атаковали движущийся автомобиль в Стародубском муниципальном округе Брянской области. В результате погиб мирный житель, сообщил врио губернатора Егор Ковальчук в "Максе". "Украинские террористы атаковали Стародубский муниципальный округ.…
ФСБ: в Белгородской области предотвращен теракт
ФСБ сообщила о предотвращенной попытке совершения террористического акта в Белгородской области с участием завербованной украинскими спецслужбами местной жительницы. Женщина избежала участи стать "живой бомбой", обратившись в органы безопасности, сообщили в…
Украине подсунули еще одну ассоциацию с Евросоюзом
Запад вновь решил соблазнить Украину евроинтеграцией: канцлер Германии Фридрих Мерц предложил Киеву ...
Коралловые рифы скрывают природную аптеку, которую ученые только начали изучать
Морские губки сыграли ключевую роль в большинстве исследований, которые ученые, изучающие рифы, назы...
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)".