Natuurkundigen van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) hebben ontdekt dat grafeen het ideale materiaal kan zijn voor de productie van plasmonische apparaten die explosieve materialen kunnen detecteren, giftige chemicaliën, en andere organische verbindingen op basis van een enkel molecuul, volgens een artikel gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

Plasmons bij het construeren van zeer nauwkeurige elektronica en optica

Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door de mogelijke toepassingen van een quasi-deeltje genaamd het plasmon, een kwantum van plasma-oscillaties. In het geval van een vast lichaam, plasmonen zijn de oscillaties van vrije elektronen. Van bijzonder belang zijn de effecten die voortvloeien uit de oppervlakte-interacties van elektromagnetische golven met plasmonen - meestal in de context van metalen of halfmetalen, omdat ze een hogere vrije elektronendichtheid hebben. Het benutten van deze effecten zou een doorbraak kunnen betekenen in hoognauwkeurige elektronica en optica. Een mogelijkheid die door plasmonische effecten wordt geopend, is subgolflengtelichtfocussering, wat de gevoeligheid van plasmonische apparaten verhoogt tot een punt waarop ze een enkel molecuul kunnen onderscheiden. Dergelijke metingen gaan verder dan wat conventionele (klassieke) optische apparaten kunnen bereiken. Helaas, plasmonen in metalen hebben de neiging om snel energie te verliezen door weerstand, en daarom zijn ze niet zelfvoorzienend, d.w.z. ze hebben continue opwinding nodig. Wetenschappers proberen dit probleem aan te pakken door composietmaterialen te gebruiken met een vooraf gedefinieerde microstructuur, inclusief grafeen.

Grafeen is een allotroop van koolstof in de vorm van een tweedimensionaal kristal. Het kan worden gevisualiseerd als een één atoom dik honingraatrooster gemaakt van koolstofatomen. Twee MIPT-afgestudeerden, Andre Geim en Konstantin Novoselov, waren de eersten die grafeen isoleerden, waarmee ze de Nobelprijs voor natuurkunde kregen. Grafeen is een halfgeleider met een extreem hoge mobiliteit van ladingsdragers. De elektrische geleidbaarheid is ook uitzonderlijk hoog, die op grafeen gebaseerde transistors mogelijk maakt.

Theoretische fysici geven het goed

Hoewel plasmonische apparaten een opwindend vooruitzicht zijn, om ervan te profiteren, eerst moet worden nagegaan of ze haalbaar zijn. Om dit te doen, wetenschappers moesten een numerieke oplossing vinden voor de relevante kwantummechanische vergelijkingen. Dit werd bereikt door een team van onderzoekers van het Laboratorium voor Nanostructuurspectroscopie onder leiding van prof. Yurii Lozovik; ze formuleerden en losten de noodzakelijke vergelijking op. Hun onderzoek heeft ertoe geleid dat ze een kwantummodel hebben ontwikkeld dat plasmonisch gedrag in grafeen voorspelt. Als resultaat, de wetenschappers beschreven de werking van een oppervlakte-plasmon-emitting diode (SPED) en de nanoplasmonische tegenhanger van de laser - bekend als de spaser - waarvan de constructie een grafeenlaag omvat.

Een spaser kan worden omschreven als een apparaat dat lijkt op een laser en volgens hetzelfde basisprincipe werkt. Echter, om straling te produceren, het vertrouwt op optische overgangen in het versterkingsmedium, en de uitgezonden deeltjes zijn oppervlakteplasmonen, in tegenstelling tot fotonen die door een laser worden geproduceerd. Een SPED verschilt van een spaser doordat het een onsamenhangende bron van oppervlakteplasmonen is. Het vereist ook een aanzienlijk lager pompvermogen. Beide apparaten zouden binnen het infrarode gebied van het spectrum werken, die nuttig is voor het bestuderen van biologische moleculen.

"De grafeen spaser kan worden gebruikt om compacte spectrale meetapparatuur te ontwerpen die zelfs een enkel molecuul van een stof kan detecteren, wat essentieel is voor veel potentiële toepassingen. Dergelijke sensoren kunnen organische moleculen detecteren op basis van hun karakteristieke trillingsovergangen ('vingerafdrukken'), als het uitgestraalde/geabsorbeerde licht in het medium infraroodgebied valt, dat is precies waar de op grafeen gebaseerde spaser werkt, " zegt Alexander Dorofeenko, een van de auteurs van het onderzoek.