Sniffer-plasmoner kunne opdage sprængstoffer

Fysikere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT) har fundet ud af, at grafen kan være det ideelle materiale til fremstilling af plasmoniske enheder, der er i stand til at detektere eksplosive materialer, giftige kemikalier, og andre organiske forbindelser baseret på et enkelt molekyle, ifølge en artikel offentliggjort i Fysisk gennemgang B .

Plasmoner i at konstruere højnøjagtig elektronik og optik

Forskere har længe været fascineret af de potentielle anvendelser af en kvasipartikel kaldet plasmon, et kvantum af plasmaoscillationer. I tilfælde af et fast legeme, plasmoner er frie elektroners svingninger. Af særlig interesse er de virkninger, der opstår fra overfladeinteraktioner af elektromagnetiske bølger med plasmoner - sædvanligvis i forbindelse med metaller eller halvmetaller, da de har en højere fri elektrondensitet. Udnyttelse af disse effekter kan medføre et gennembrud inden for elektronik og optik med høj nøjagtighed. En mulighed, der åbnes af plasmoniske effekter, er subbølgelængde lysfokusering, hvilket øger følsomheden af ​​plasmoniske enheder til et punkt, hvor de kan skelne et enkelt molekyle. Sådanne målinger er ud over, hvad enhver konventionel (klassisk) optisk enhed kan opnå. Desværre, plasmoner i metaller har en tendens til at miste energi hurtigt på grund af resistens, og af denne grund er de ikke selvbærende, dvs. de har brug for kontinuerlig excitation. Forskere forsøger at tackle dette problem ved at bruge kompositmaterialer med foruddefineret mikrostruktur, inklusive grafen.

Grafen er en allotrop af kulstof i form af en todimensionel krystal. Det kan visualiseres som et et-atom-tykt honeycomb-gitter lavet af kulstofatomer. To MIPT-kandidater, Andre Geim og Konstantin Novoselov, var de første til at isolere grafen, hvilket gav dem en Nobelpris i fysik. Grafen er en halvleder med ekstrem høj ladningsbærermobilitet. Dens elektriske ledningsevne er også usædvanlig høj, hvilket gør grafen-baserede transistorer mulige.

Teoretiske fysikere giver det okay

Selvom plasmoniske enheder er et spændende perspektiv, at udnytte dem, det er først nødvendigt at finde ud af, om de er gennemførlige. At gøre dette, videnskabsmænd skulle finde en numerisk løsning på de relevante kvantemekaniske ligninger. Dette blev opnået af et team af forskere ved Laboratory of Nanostructure Spectroscopy under ledelse af prof. Yurii Lozovik; de formulerede og løste den nødvendige ligning. Deres forskning har ført dem til at udvikle en kvantemodel, der forudsiger plasmonisk adfærd i grafen. Som resultat, forskerne beskrev driften af ​​en overflade-plasmon-emitterende diode (SPED) og det nanoplasmoniske modstykke til laseren - kendt som spaseren - hvis konstruktion involverer et grafenlag.

En spaser kan beskrives som en anordning, der ligner en laser, og som fungerer efter det samme grundlæggende princip. Imidlertid, at producere stråling, den er afhængig af optiske overgange i forstærkningsmediet, og de udsendte partikler er overfladeplasmoner, i modsætning til fotoner produceret af en laser. En SPED er forskellig fra en spaser ved, at den er en usammenhængende kilde til overfladeplasmoner. Det kræver også betydeligt lavere pumpeeffekt. Begge enheder ville fungere inden for det infrarøde område af spektret, som er nyttig til at studere biologiske molekyler.

"Graphen spaseren kunne bruges til at designe kompakte spektrale måleenheder, der er i stand til at detektere selv et enkelt molekyle af et stof, hvilket er afgørende for mange potentielle anvendelser. Sådanne sensorer kunne detektere organiske molekyler baseret på deres karakteristiske vibrationsovergange ('fingeraftryk'), når det udsendte/absorberede lys falder ind i det medium infrarøde område, som er præcis der, hvor den grafen-baserede spaser fungerer, " siger Alexander Dorofeenko, en af ​​forfatterne til undersøgelsen.