La conception du spaser avec la couche de graphène est représentée par un réseau en nid d'abeille au-dessus de la couche diélectrique (bleu). Le spaser est pompé optiquement à travers le milieu actif (gain) indiqué en orange. Crédit :Institut de physique et de technologie de Moscou
Des physiciens de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) ont découvert que le graphène pourrait être le matériau idéal pour la fabrication de dispositifs plasmoniques capables de détecter des matières explosives, produits chimiques toxiques, et d'autres composés organiques à base d'une seule molécule, selon un article publié dans Examen physique B .
Plasmons dans la construction d'électronique et d'optique de haute précision
Les scientifiques ont longtemps été fascinés par les applications potentielles d'une quasiparticule appelée plasmon, un quantum d'oscillations de plasma. Dans le cas d'un corps solide, les plasmons sont les oscillations des électrons libres. Les effets résultant des interactions de surface des ondes électromagnétiques avec les plasmons sont particulièrement intéressants, généralement dans le contexte des métaux ou semi-métaux, car ils ont une densité d'électrons libres plus élevée. L'exploitation de ces effets pourrait entraîner une percée dans l'électronique et l'optique de haute précision. Une possibilité ouverte par les effets plasmoniques est la focalisation de la lumière sub-longueur d'onde, ce qui augmente la sensibilité des dispositifs plasmoniques à un point où ils peuvent distinguer une seule molécule. De telles mesures vont au-delà de ce que n'importe quel appareil optique conventionnel (classique) peut réaliser. Malheureusement, les plasmons dans les métaux ont tendance à perdre de l'énergie rapidement en raison de la résistance, et pour cette raison, ils ne sont pas autonomes, c'est-à-dire qu'ils ont besoin d'une excitation continue. Les scientifiques tentent de résoudre ce problème en utilisant des matériaux composites à microstructure prédéfinie, dont le graphène.
Le graphène est un allotrope de carbone sous la forme d'un cristal bidimensionnel. Il peut être visualisé comme un réseau en nid d'abeille d'un atome d'épaisseur composé d'atomes de carbone. Deux diplômés du MIPT, André Geim et Konstantin Novoselov, ont été les premiers à isoler le graphène, qui leur a valu un prix Nobel de physique. Le graphène est un semi-conducteur avec une mobilité des porteurs de charge extrêmement élevée. Sa conductivité électrique est également exceptionnellement élevée, qui rend possible les transistors à base de graphène.
Les scientifiques ont proposé un capteur à base de graphène qui peut « renifler » une seule molécule d'explosif. Crédit :Institut de physique et de technologie de Moscou
Les physiciens théoriciens donnent le feu vert
Bien que les dispositifs plasmoniques soient une perspective passionnante, pour en profiter, il faut d'abord savoir si elles sont réalisables. Pour faire ça, les scientifiques devaient trouver une solution numérique aux équations de la mécanique quantique pertinentes. Cela a été accompli par une équipe de chercheurs du Laboratoire de spectroscopie des nanostructures dirigé par le professeur Yurii Lozovik; ils ont formulé et résolu l'équation nécessaire. Leurs recherches les ont amenés à développer un modèle quantique qui prédit le comportement plasmonique du graphène. Par conséquent, les scientifiques ont décrit le fonctionnement d'une diode électroluminescente de surface (SPED) et la contrepartie nanoplasmonique du laser - connu sous le nom de spaser - dont la construction implique une couche de graphène.
Un spaser pourrait être décrit comme un dispositif similaire à un laser et fonctionnant sur le même principe de base. Cependant, produire des radiations, il repose sur des transitions optiques dans le milieu de gain, et les particules émises sont des plasmons de surface, contrairement aux photons produits par un laser. Un SPED est différent d'un spaser en ce sens qu'il s'agit d'une source incohérente de plasmons de surface. Il nécessite également une puissance de pompage considérablement plus faible. Les deux appareils fonctionneraient dans la région infrarouge du spectre, ce qui est utile pour l'étude des molécules biologiques.
"Le spaser au graphène pourrait être utilisé pour concevoir des dispositifs de mesure spectrale compacts capables de détecter même une seule molécule d'une substance, ce qui est essentiel pour de nombreuses applications potentielles. De tels capteurs pourraient détecter des molécules organiques sur la base de leurs transitions vibrationnelles caractéristiques ("empreintes digitales"), lorsque la lumière émise/absorbée tombe dans le domaine infrarouge moyen, c'est exactement là que fonctionne le spaser à base de graphène, " dit Alexandre Dorofeenko, l'un des auteurs de l'étude.
