Los físicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) han descubierto que el grafeno podría ser el material ideal para fabricar dispositivos plasmónicos capaces de detectar materiales explosivos. químicos tóxicos, y otros compuestos orgánicos basados ​​en una sola molécula, según un artículo publicado en Revisión física B .

Plasmons en la construcción de componentes electrónicos y ópticos de alta precisión

Los científicos han estado fascinados durante mucho tiempo por las posibles aplicaciones de una cuasipartícula llamada plasmón, un cuanto de oscilaciones de plasma. En el caso de un cuerpo sólido, los plasmones son las oscilaciones de electrones libres. De especial interés son los efectos que surgen de las interacciones superficiales de las ondas electromagnéticas con plasmones, generalmente en el contexto de metales o semimetales, ya que tienen una mayor densidad de electrones libres. Aprovechar estos efectos podría generar un gran avance en la electrónica y la óptica de alta precisión. Una posibilidad abierta por los efectos plasmónicos es el enfoque de luz de sublongitud de onda, lo que aumenta la sensibilidad de los dispositivos plasmónicos hasta un punto en el que pueden distinguir una sola molécula. Tales medidas están más allá de lo que puede lograr cualquier dispositivo óptico convencional (clásico). Desafortunadamente, los plasmones en metales tienden a perder energía rápidamente debido a la resistencia, y por eso no son autosuficientes, es decir, necesitan una excitación continua. Los científicos están tratando de abordar este problema utilizando materiales compuestos con microestructura predefinida, incluido el grafeno.

El grafeno es un alótropo de carbono en forma de cristal bidimensional. Se puede visualizar como una red en forma de panal de un átomo de espesor hecha de átomos de carbono. Dos graduados del MIPT, Andre Geim y Konstantin Novoselov, fueron los primeros en aislar el grafeno, que les valió un Premio Nobel de Física. El grafeno es un semiconductor con una movilidad de portadora de carga extremadamente alta. Su conductividad eléctrica también es excepcionalmente alta, lo que hace posible los transistores basados ​​en grafeno.

Los físicos teóricos dan el visto bueno

Aunque los dispositivos plasmónicos son una perspectiva interesante, para aprovecharlos, primero es necesario averiguar si son factibles. Para hacer esto, los científicos tenían que encontrar una solución numérica a las ecuaciones mecánicas cuánticas relevantes. Esto fue logrado por un equipo de investigadores en el Laboratorio de Espectroscopía de Nanoestructura dirigido por el Prof. Yurii Lozovik; formularon y resolvieron la ecuación necesaria. Su investigación los ha llevado a desarrollar un modelo cuántico que predice el comportamiento plasmónico en el grafeno. Como resultado, los científicos describieron el funcionamiento de un diodo emisor de plasmón de superficie (SPED) y la contraparte nanoplásmónica del láser, conocido como espaciador, cuya construcción involucra una capa de grafeno.

Un spaser podría describirse como un dispositivo similar a un láser y que funciona con el mismo principio básico. Sin embargo, para producir radiación, se basa en transiciones ópticas en el medio de ganancia, y las partículas emitidas son plasmones superficiales, a diferencia de los fotones producidos por un láser. Un SPED se diferencia de un espaciador en que es una fuente incoherente de plasmones superficiales. También requiere una potencia de bomba considerablemente menor. Ambos dispositivos operarían dentro de la región infrarroja del espectro, que es útil para estudiar moléculas biológicas.

"El esparcidor de grafeno podría usarse para diseñar dispositivos compactos de medición espectral capaces de detectar incluso una sola molécula de una sustancia, que es esencial para muchas aplicaciones potenciales. Dichos sensores podrían detectar moléculas orgánicas en función de sus características transiciones vibratorias ('huellas dactilares'), a medida que la luz emitida / absorbida cae en la región del infrarrojo medio, que es exactamente donde opera el spaser basado en grafeno, "dice Alexander Dorofeenko, uno de los autores del estudio.