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.
ДНК оспы в древних мумиях инков показывает, что вирус пришел из Европы
Образцы ДНК, собранные с мумий инков, подтвердили наличие штамма оспы, впервые появившегося в Европе. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Science. «Мы интерпретировали это как первое прямое молекулярное доказательство…
В дельте Нила обнаружен крупный банный комплекс с круглыми бассейнами
Открытие, сделанное на археологическом памятнике Телль-Насер, проливает новый свет на историю заселения человеком восточной части дельты Нила и эллинистический и римский периоды архитектуры. В ходе первой кампании по раскопкам в…
В Кордове обнаружена старейшая библиотека на Пиренейском полуострове
Группа исследователей из Университета Гранады подтвердила, что комната в римской вилле Фуэнте-Аламо, расположенной в муниципалитете Пуэнте-Хениль, функционировала как библиотека, что делает её старейшей из документально подтвержденных библиотек на Пиренейском полуострове…
МО: за ночь над регионами России сбили 274 украинских БПЛА
Российские средства ПВО в течение прошедшей ночи перехватили и уничтожили над регионами РФ, а также над акваториями Черного и Азовского морей 274 украинских БПЛА. Об этом сообщили в Минобороны России.…
Развожаев: в Севастополе один человек погиб и двое пострадали при атаке БПЛА
Женщина в возрасте 60 лет стала жертвой атаки БПЛА на Севастополь, еще два человека пострадали, сообщил губернатор Михаил Развожаев в Telegram-канале. "Силы ПВО, Черноморского флота и наши мобильные огневые группы…
В Белгородской области за сутки три человека пострадали при атаках ВСУ
Вооруженные силы Украины атаковали территорию предприятия в Шебекине Белгородской области. Трое мужчин получили осколочные ранения, двое из них находятся в тяжелом состоянии, сообщили в оперштабе региона. "В городе Шебекино беспилотник…
Наследники флибустьеров: на флаге Великобритании был бы уместен череп с костями
Западные страны задерживают суда, которые, по их данным, перевозят российскую нефть и СПГ. Президент...
Окаменелость возрастом 520 млн лет из Китая заполняет пробел в истории моллюсков
Палеонтологи идентифицировали самого раннего из известных головоногих моллюсков, снабженных сифоном ...
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)".