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. Это недавно доказали российские физики из МФТИ, Института спектроскопии РАН, Всероссийского НИИ автоматики им. Л.Н. Духова и Института теоретической физики им. Ландау РАН.

Исследователей давно привлекают возможности плазмонов — квазичастиц, являющихся квантами плазменных колебаний. В частном случае, когда говорится 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 позволяют фокусировать электромагнитные волны таким образом, что чувствительность устройств повышается до уровня распознавания единичной молекулы.

Подобное невозможно при использовании устройств на основе классической оптики. Впрочем, на пути к реализации столь лакомой идеи существует проблема: плазмоны в металле очень быстро теряют энергию из-за омического сопротивления, то есть для них требуется постоянная «подпитка». Эту проблему специалисты пытаются решить, используя композитные материалы с заданной микроструктурой. Одним из таких материалов является графен.

Графен — это двумерный (плоский) 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.

Но 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.

СПАЗЕР схож по принципу работы с лазером, но в спазере оптические переходы в усиливающей среде генерируют вместо обычной электромагнитной моды лазерного резонатора поверхностный плазмон. 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», — поясняет один из авторов статьи сотрудник кафедры теоретической физики МФТИ Александр Дорофеенко.

Результаты теоретического исследования опубликованы в научном издании Physical Review B.