Ученые из МФТИ доказали, что графен может стать идеальным материалом для создания плазмонных приборов, способных обнаружить взрывчатые, ядовитые и другие органические вещества по наличию даже одной молекулы, сообщает пресс-служба МФТИ. Отчет об исследовании опубликован в Physical Review B.

Плазмоны - это квазичастицы, отвечающие квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания плотности заряда свободного электронного газа. Когда плотное тело (обычно это металл или полуметалл) облучается светом, на поверхности металла возникают различные плазмонные эффекты. Если расстояние, в котором распространяются волны плазмонных колебаний, меньше их длины волны, то плазмонные колебания фокусируются на любой неровности на поверхности металла. Таким образом, плазмонные эффекты приводят к возможности субволновой фокусировки электромагнитных волн, что улучшает чувствительность плазмонных устройств до уровня распознавания одиночной молекулы. Но у плазмонные колебания слишком быстро теряют энергию, поэтому для них требуется постоянная «подпитка».

Для решения этой проблемы ученые МФТИ предложили использовать графен - двухмерную модификацию углерода, которую можно представить как плоскую «сетку», состоящую из ячеек-шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Графен является полупроводником с чрезвычайно высокой подвижностью носителей и имеет крайне высокую электропроводность, что позволяет его использовать вместо металла для создания плазмонных колебаний. Таким образом, на основе графена можно создавать высокочувствительные сенсоры, способные обнаруживать даже единичные молекулы.

Прежде чем конструировать подобные устройства, необходимо проверить возможность реализации заложенных в них принципов. Как сообщает пресс-служба, 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.



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», — цитируются в сообщении пояснения одного из авторов, сотрудника кафедры теоретической физики МФТИ Александра Дорофеенко.