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.
5300-летнее сверло сдвигает историю развития технологий Египта на 2000 лет назад
Международная группа исследователей установила, что небольшой и давно забытый инструмент из медного сплава, найденный столетие назад в некрополе Верхнего Египта, является старейшим из известных металлических вращающихся сверл в стране Нила.…
Ученые считают, что в 2023 году на Землю упала умирающая черная дыра
Согласно нашим лучшим теоретическим представлениям, чёрные дыры могут перестать существовать. Они испускают излучение Хокинга и, таким образом, медленно испаряются. Чем больше чёрная дыра, тем медленнее она испаряется; но даже самой…
Найденная в США сшитая шкура переписывает историю одежды ледникового периода
В пустыне центрального Орегона сделано замечательное открытие, меняющее наше понимание изобретательности ранних людей. Археологи обнаружили самый древний из известных образцов сшитой шкуры — небольшой фрагмент лосиной шкуры, тщательно сшитый скрученными…
МО: за ночь над регионами России сбили 106 украинских беспилотников
Силы ПВО за ночь сбили 106 украинских беспилотников над российскими регионами, сообщили в Минобороны РФ. Два человека пострадали в результате атаки БПЛА на Мичуринск в Тамбовской области. Повреждения получили объекты…
ФСБ России: в Удмуртии предотвращен теракт в отделе полиции
Сотрудники ФСБ предотвратили теракт в отделе полиции в Удмуртии, задержан ранее судимый 57-летний россиянин. Об этом сообщили в Центре общественных связей (ЦОС) ФСБ России. "На территории Удмуртской Республики пресечена попытка…
Задержан заместитель губернатора Челябинской области Андрей Фалейчик
Сотрудники правоохранительных органов задержали заместителя губернатора Челябинской области Андрея Фалейчика. Расследование касается периода, когда он возглавлял Копейский городской округ, сообщил в своем Telegram-канале губернатор Алексей Текслер. "Сегодня утром задержан заместитель…
Европа надорвалась в стараниях превзойти США по тратам на Зеленского
Еще год назад эксперты в России и на Западе полагали, что Европа не сумеет восполнить вакуум в украи...
A&D: Простое упражнение поможет снизить риск деменции на 25%
Доступное каждому упражнение на скорость обработки информации способно уменьшить риски деменции на 2...
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)".