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.
Наука выяснила, какой сон говорит о скорой кончине
Около 20−60% пожилых людей спят днем. Есть мнение, что это даже полезно. Но есть и обратная версия: эта привычка связана с возрастными заболеваниями. Результаты соответствующих научных наблюдений были опубликованы в …
Два спутника Сатурна делят одну орбиту и меняются местами каждые 4 года
Четыре главных спутника Юпитера известны своими уникальными особенностями, но когда дело доходит до истинной уникальности, именно система Сатурна действительно выделяется. Атмосфера и озёра Титана, а также гейзеры Энцелада привлекают к…
Ученые предложили новую причину гибели неандертальцев 40 000 лет назад
Что же погубило неандертальцев? Было выдвинуто множество теорий, от изменения климата и болезней до конкуренции и вытеснения новыми представителями вида — Homo sapiens. Но одним из ранее упускаемых из виду…
МО: за ночь над регионами России уничтожено 289 украинских БПЛА
Средства ПВО в течение ночи перехватили и уничтожили над российскими регионами 289 украинских беспилотников, сообщили в Минобороны РФ. Три человека пострадали в результате атаки украинских БПЛА на Чебоксары. В промзоне…
Мирошник: за неделю 34 мирных жителя России погибли от ударов ВСУ, еще 166 были ранены
Удары ВСУ за минувшую неделю унесли жизни 34 жителей российских регионов, в том числе двоих детей, еще почти 170 человек, включая 8 несовершеннолетних, получили ранения. Такие данные сообщил ТАСС посол…
Мирошник: ВСУ на неделе ежедневно до 130 раз атаковали Белгородскую область при помощи БПЛА
Вооруженные силы Украины на минувшей неделе ежедневно били по территории Белгородской области при помощи БПЛА - от 100 до 130 раз, сообщил ТАСС посол по особым поручениям МИД России Мирошник.…
Зеленский учит Пашиняна разрыву связей с Россией
Армения принимает у себя крупный саммит, призванный продемонстрировать сближение страны с Брюсселем....
Золотая диадема и древние зубы переосмысливают сербскую культуру бронзового века
Находка женщины, похороненной недалеко от Дуная, с тонкой золотой диадемой на черепе, стала одним из...
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)".