Плазмонный прибор на основе графена, который может обнаруживать органические вещества, в том числе яды и взрывчатку, по наличию даже одной молекулы, разработали физики из МФТИ, Института спектроскопии РАН, Всероссийского НИИ автоматики им Н. Л. Духова и Института теоретической физики им. Ландау РАН.

Для расчета теоретических возможностей прибора на основе графена ученые создали квантовую модель поведения плазмонов в графене. В результате исследователи описали режимы работы поверхностного плазмонного светодиода (СПЕД) и поверхностного плазмонного лазера (СПАЗЕР) с использованием графенового слоя.

По принципу работы СПАЗЕР похож на лазер, но в нем оптические переходы в усиливающей среде генерируют поверхностный плазмон вместо обычной электромагнитной моды лазерного резонатора. СПЕД также использует для работы поверхностные плазмоны, но создает некогерентное излучение и для его работы требуется значительно меньшая мощность накачки. Оба устройства работают в инфракрасном диапазоне, в котором проводится изучение биологических молекул.

К слову, ученые давно работали над созданием сверхточных электронных и оптических устройств с использованием свойств плазмонов – квазичастиц, являющихся квантами плазменных колебаний. Плазмонные эффекты приводят к возможности субволновой фокусировки электромагнитных волн, что улучшает чувствительность плазмонных устройств до уровня распознавания одиночной молекулы. Так как плазмоны в металле быстро теряют энергию из-за омического сопротивления, ученые пытаются использовать композитные материалы с заданной микроструктурой. Одним из таких материалов является графен – двумерный кристалл, одна из аллотропных модификаций углерода, который можно представить как плоскую «сетку», состоящую из ячеек-шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода.