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.
Геоученые определили древние силы, стоящие за гравитационной дырой в Антарктиде
Новое исследование, проведенное геофизиками из Университета Флориды и Парижского института физики Земли, прослеживает происхождение антарктической гравитационной дыры (или антарктической геоидной аномалии) — самой экстремальной гравитационной аномалии на планете — до…
Астрофизики: Полное исчезновение грозит Вселенной через 20 миллиардов лет
Учёные продолжают исследовать тёмную энергию. Новые данные говорят о том, что расширение Вселенной сменится сжатием, а итоговым актом её истории станет гибель через феномен «Большого хруста» примерно через 20 миллиардов…
Образцы лунной породы ставят под сомнение теорию «поздней бомбардировки»
Появляются результаты анализа образцов, доставленных китайской миссией Chang'e-6 на обратную сторону Луны. Они впервые позволяют детально изучить геологию и историю обратной стороны, а недавняя статья, опубликованная в журнале Science Advances…
МО: за ночь над регионами России сбили 113 украинских беспилотников
Силы ПВО за ночь сбили 113 украинских беспилотников над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. Два мирных жителя получили ранения в результате атаки дронов на Брянскую область. Возгорание резервуара с…
Хинштейн: за сутки ВСУ 22 раза атаковали приграничные районы Курской области
В Курской области 18 беспилотников Вооруженных сил Украины (ВСУ) были сбиты за прошедшие сутки, 22 раза ВСУ применили артиллерию по отселенным районам региона. Об этом сообщил губернатор Александр Хинштейн. "Всего…
Тимур Иванов подал иск к МО РФ за игнорирование просьбы об отправке на СВО
Бывший заместитель министра обороны РФ Тимур Иванов, осужденный за растрату и вывод около 3,9 млрд рублей из банка "Интеркоммерц", подал иск к Минобороны из-за игнорирования просьбы заключить с ним контракт…
НАТО готовит балто-скандинавский кулак против России
От блокады Калининградской области до ударов по Санкт-Петербургу – так эксперты оценивают потенциаль...
Nutrients: Дефицит одного витамина усиливает тяжесть гриппа и ковида
Более тяжелое течение гриппа и COVID-19 вызывается дефицитом витамина D. К этому выводу пришли румын...
Когда вам покажется, что вы не справитесь, вспомните, что вы из поколения, которое писало сочинения на три страницы. Из головы! Ручкой на большой перемене!
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)".