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.
Nature: континенты Земли медленно отслаиваются
Геологи разгадали вековую тайну океанического вулканизма и тектоники плит, объяснив, почему некоторые острова содержат так много континентального материала, несмотря на их удаленность от континентальных плит. Новое исследование было опубликовано в…
Марсоход Perseverance обнаружил на Марсе странный камень
Марсоход NASA Perseverance обнаружил на поверхности Марса весьма необычный камень. Этот комковатый валун, богатый металлами, скорее всего, является метеоритом, упавшим на Красную планету, и это первый метеорит, обнаруженный Perseverance за…
22 золотых предмета и загадочное греческое кольцо найдены во Франции
Территория под будущим проектом La Bourgatie West (Ламонзи-Сен-Мартен, департамент Дордонь, юго-запад Франции) веками хранила секрет точности перемещения. Последние шаги лопаты в ходе профилактических археологических раскопок на площади восемь тысяч квадратных…
Трое погибших и 249 сбитых БПЛА. Последствия ночной атаки ВСУ на регионы России
Вооруженные силы Украины минувшей ночью совершили массированную атаку на южные регионы России. По последним данным, в результате нее в Ростовской области погибли 3 человека, еще 10 получили ранения, в Краснодарском…
Мирошник: за неделю от ударов беспилотников ВСУ пострадали 39 россиян
39 мирных граждан пострадали в регионах России от ударов беспилотников ВСУ за минувшую неделю (с 17 по 23 ноября). Украинские боевики направляли БПЛА по домам, коммерческим и социальным объектам, автомобилям,…
В Госдуму внесли законопроект о периоде охлаждения при продаже квартир
Председатель партии "Справедливая Россия" Сергей Миронов вместе с депутатом от фракции Михаилом Делягиным внесли на рассмотрение Госдумы законопроект о семидневном периоде охлаждения при продаже квартир собственниками, призванный решить проблему с…
«Украина – всё, Балтике приготовиться» или Зачем Европа ищет повод к новой Большой войне?
Комментируя открытое нежелание Европы принимать условия мирного соглашения по Украине, предложенные ...
Древняя карта Месопотамии может оказаться первым в мире планом застройки города
Глиняная табличка возрастом 3500 лет, обнаруженная более века назад в Ираке, считается одним из древ...
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)".