Российские ученые разработали сенсор, определяющий взрывчатку по одной молекуле

Группа российских ученых разработала плазмонный прибор на основе графена, который может обнаруживать органические вещества, в том числе яды и взрывчатку, по наличию даже одной молекулы.

Для расчета теоретических возможностей прибора на основе графена ученые разработали 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.

 В устройстве СПАЗЕР исследователи увидели потенциал для создания спектроскопических устройств, способных фиксировать даже одну молекулу вещества.

В частности, возможно обнаруживать органические молекулы по их характеристическим переходам, которые как раз находятся в средней инфракрасной области, где работает СПАЗЕР на основе графена.

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. Графен является полупроводником с чрезвычайно высокой подвижностью носителей, имеет крайне высокую электропроводность, что открывает возможность создания на его основе транзисторов.

Работу над данным проектом ведут физики из МФТИ, Института спектроскопии РАН, Всероссийского НИИ автоматики им Н. Л. Духова и Института теоретической физики им. Ландау РАН.