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.
Синдром плоской головы был широко распространен в Италии около 3000 лет назад
Почти 3000 лет назад десятки людей были похоронены в глубоких прямоугольных ямах в Мателике, в итальянском регионе Марке, свернувшись на правом боку, словно во сне. Когда археологи вновь вскрыли эти…
Системы восстановления ДНК у 194-летней черепахи противодействуют старению
Впервые был расшифрован геном старейшего из известных наземных животных — гигантской черепахи по имени Джонатан. Исследование показало, что участки его генома, отвечающие за работу митохондрий, функционируют столь же эффективно, как…
Странное полуводное существо могло быть первым в мире молочным животным
Полуводный предок современных млекопитающих, живший в эпоху динозавров, был также первым известным животным, способным есть молоко. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature. «Способы глотания и сосания у млекопитающих…
Пострадавшие в Калужской области и пожар на заводе под Тверью. Последствия атак ВСУ на российские регионы
Средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили 505 украинских беспилотников над российскими регионами, а также акваториями Черного и Азовского морей. Об этом сообщили в Минобороны РФ. Девять человек получили ранения…
Шуваев: в Белгородской области за сутки погибли четыре человека
Вооруженные силы Украины атаковали территорию Белгородской области свыше 160 раз за прошедшие сутки. В результате погибли четыре мирных жителя, еще 12 получили ранения, сообщил губернатор региона Александр Шуваев в "Максе".…
Очередной ночной блэкаут, проблемы с канализацией и "режим выживания". Ситуация в Киеве
Полный блэкаут вновь произошел в Киеве в ночь на пятницу. После повреждения важного энергообъекта в украинской столице ввели экстренные отключения света, нарушилась работа метро, начались перебои с подачей воды, впервые…
Дональд Трамп заполучил плацдарм для третьей мировой
Многие сочли соглашение между США, Данией и Гренландией просто «апгрейдом» договора 1951 года, котор...
В одной горной породе зафиксированы сразу два вида субдукции
Когда сталкиваются две тектонические плиты, одна плита погружается под другую — этот процесс известе...
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)".