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: При недосыпе мозг запускает днём «ночные» волны
Специалисты Массачусетского технологического института выяснили, что в условиях недосыпа мозг запускает механизмы ночной очистки во время бодрствования. Как передаёт портал Nature, у невыспавшихся людей эксперты регистрировали в моменты краткой потери…
Неожиданно: частое употребление кофе ведет к восстановлению во время сна
В авторитетном издании Journal of Psychopharmacology опубликованы результаты недавнего исследования, авторами которого стала группа учёных из Университета Цюриха. Оно показало сложные взаимосвязи между употреблением кофе и качеством сна. Выяснилось, что…
В споре между Эйнштейном и Бором появились новые аргументы
Около столетия прошло с момента острых дискуссий между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором, в которых автор теории относительности пытался поставить под сомнение основы квантовой теории. Но сегодня становится ясно: сама…
МО: за ночь над регионами России сбили 121 украинский беспилотник
Силы ПВО за ночь сбили 121 украинский беспилотник над регионами России и Каспийским море, из них 49 - над Белгородской областью, сообщили в Минобороны РФ. "В течение прошедшей ночи в…
Суд ООН рассмотрит претензии России к Украине из-за геноцида в Крыму и на Донбассе
Международный суд ООН рассмотрит претензии России к Украине в части геноцида населения Крыма и Донбасса, суд даст оценку деяниям ВСУ на этих территориях, сообщил председатель Госсовета Республики Крым Владимир Константинов.…
В МИД назвали условие, при котором Россия продолжит переговоры с Украиной
Украина и ее европейские партнеры пытаются завести в тупик переговорный процесс по предложенному США мирному плану и хотят сделать Россию виновной в срыве урегулирования. Об этом "Известиям" сообщил посол по…
Дональд Трамп провозгласил конец глобализма
«Американская империя», разрушение глобализма и «мир через силу» – вот три главных заявления новой д...
Изменение климата сыграло ключевую роль в вымирании Homo floresiensis
Homo floresiensis — небольшой древний вид человека, прозванный «хоббитом», — мог вымереть около 50 0...
- Тебе, наверное, больше сорока?
- С чего ты взял?
- Пишешь без ошибок. Чувствуется Советская школа.
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)".