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.
4000-летние клинописные таблички подтверждают существование царя Гильгамеша
Спустя более века после того, как Национальный музей Дании начал собирать обширную коллекцию глиняных табличек с надписями, относящихся к древнейшим цивилизациям Ближнего Востока, группа исследователей наконец-то смогла полностью проанализировать, идентифицировать…
Создано антитело, побеждающее вирус, которым инфицированы 95% людей в мире
Группой ученых из Онкологического центра Фреда Хатча сделан шаг к разработке основ терапии против вируса Эпштейна — Барр, которым инфицированы порядка 95% людей в мире. Он коррелирован с развитием нескольких…
Молчание Вселенной попытались объяснить частой гибелью цивилизаций
Парадокс Ферми давно не даёт покоя учёным, да и многим людям, интересующимся наукой. Почему мы не видим следов разумной жизни в космосе, если в теории она может быть весьма распространённой?…
МО: за ночь над регионами России сбили 258 украинских БПЛА
Российские средства ПВО за ночь перехватили и уничтожили над регионами РФ 258 украинских БПЛА. Об этом сообщили в Минобороны России. "В течение прошедшей ночи (с 20:00 мск 17 апреля до…
В Оренбургской области задержали убившего полицейского и ранившего еще троих
Правоохранители задержали мужчину, который оказал вооруженное сопротивление полицейским при задержании, в результате чего убил одного из них, еще троих ранил. Об этом сообщила официальный представитель МВД России Ирина Волк. "В…
Володин: в мае в Госдуме намерены принять закон об ужесточении контроля за мигрантами
Несколько законодательных инициатив, направленных на совершенствование миграционной политики, находятся на рассмотрении в Госдуме в настоящее время. Об этом сообщил председатель палаты парламента Вячеслав Володин. "В настоящее время выдворение в качестве…
Кишинев решился на антироссийский выпад в Приднестровье
Кишинев объявил персонами нон грата нескольких членов командования оперативной группы российских вой...
Раскрыта тайна образования солевых примесей в алмазах
Исследователями из Института геохимии Гуанчжоу Китайской академии наук и Китайского геологического у...
Март - блины, апрель - куличи, май - шашлыки... и куда, скажите, мне втиснуть эту вашу диету?!
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)".