I fisici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) hanno scoperto che il grafene potrebbe essere il materiale ideale per la produzione di dispositivi plasmonici in grado di rilevare materiali esplosivi, sostanze chimiche tossiche, e altri composti organici basati su una singola molecola, secondo un articolo pubblicato su Revisione fisica B .

Plasmoni nella costruzione di componenti elettronici e ottici di alta precisione

Gli scienziati sono stati a lungo affascinati dalle potenziali applicazioni di una quasiparticella chiamata plasmone, un quanto di oscillazioni di plasma. Nel caso di un corpo solido, i plasmoni sono le oscillazioni degli elettroni liberi. Di particolare interesse sono gli effetti derivanti dalle interazioni superficiali delle onde elettromagnetiche con i plasmoni, di solito nel contesto di metalli o semimetalli, poiché hanno una maggiore densità di elettroni liberi. Sfruttare questi effetti potrebbe portare a una svolta nell'elettronica e nell'ottica ad alta precisione. Una possibilità aperta dagli effetti plasmonici è la focalizzazione della luce a lunghezze d'onda inferiori, che aumenta la sensibilità dei dispositivi plasmonici al punto da poter distinguere una singola molecola. Tali misurazioni sono al di là di ciò che qualsiasi dispositivo ottico convenzionale (classico) può raggiungere. Sfortunatamente, i plasmoni nei metalli tendono a perdere rapidamente energia a causa della resistenza, e per questo non sono autosufficienti, cioè hanno bisogno di eccitazione continua. Gli scienziati stanno cercando di affrontare questo problema utilizzando materiali compositi con microstruttura predefinita, compreso il grafene.

Il grafene è un allotropo del carbonio sotto forma di un cristallo bidimensionale. Può essere visualizzato come un reticolo a nido d'ape dello spessore di un atomo fatto di atomi di carbonio. Due diplomati MIPT, André Geim e Konstantin Novoselov, sono stati i primi a isolare il grafene, che valse loro un premio Nobel per la fisica. Il grafene è un semiconduttore con una mobilità dei portatori di carica estremamente elevata. Anche la sua conduttività elettrica è eccezionalmente elevata, che rende possibili i transistor a base di grafene.

I fisici teorici danno l'ok

Sebbene i dispositivi plasmonici siano una prospettiva entusiasmante, per approfittarne, è prima necessario scoprire se sono fattibili. Per fare questo, gli scienziati hanno dovuto trovare una soluzione numerica alle equazioni quantomeccaniche rilevanti. Ciò è stato realizzato da un team di ricercatori del Laboratorio di spettroscopia nanostrutturale guidato dal Prof. Yurii Lozovik; hanno formulato e risolto l'equazione necessaria. La loro ricerca li ha portati a sviluppare un modello quantistico che prevede il comportamento plasmonico nel grafene. Di conseguenza, gli scienziati hanno descritto il funzionamento di un diodo a emissione di plasmoni di superficie (SPED) e la controparte nanoplasmonica del laser, nota come spaser, la cui costruzione prevede uno strato di grafene.

Uno spaser potrebbe essere descritto come un dispositivo simile a un laser e che funziona secondo lo stesso principio di base. Però, produrre radiazioni, si basa su transizioni ottiche nel mezzo di guadagno, e le particelle emesse sono plasmoni di superficie, rispetto ai fotoni prodotti da un laser. Uno SPED è diverso da uno spaser in quanto è una fonte incoerente di plasmoni di superficie. Richiede inoltre una potenza della pompa notevolmente inferiore. Entrambi i dispositivi funzionerebbero all'interno della regione infrarossa dello spettro, utile per lo studio delle molecole biologiche.

"Lo spaser di grafene potrebbe essere utilizzato per progettare dispositivi di misurazione spettrale compatti in grado di rilevare anche una singola molecola di una sostanza, che è essenziale per molte potenziali applicazioni. Tali sensori potrebbero rilevare molecole organiche in base alle loro caratteristiche transizioni vibrazionali ("impronte digitali"), quando la luce emessa/assorbita cade nella regione dell'infrarosso medio, che è esattamente dove opera lo spaser a base di grafene, "dice Alexander Dorofeenko, uno degli autori dello studio.