Plasmoneilla molekyylien tarkkuuksiin

Moscow Institute of Physics and Technologyn (MIPT) fyysikot ovat havainneet, että grafeeni voisi olla ihanteellinen aine valmistaa plasmonisia rakenteita, jotka kykenevät havaitsemaan räjähteitä, myrkyllisiä kemikaaleja ja muita orgaanisia yhdisteitä, yksittäisen molekyylin perusteella.

Tutkijoita on jo pitkään kiehtonut mahdolliset sovellukset kvasipartikkelilla, joita kutsutaan plasmoniksi eli plasmaoskillaation kvantti. Kiinteissä rakenteissa plasmonit ovat vapaiden elektronien oskillaatiota.

Erityisen kiinnostavia ovat vaikutukset, jotka johtuvat sähkömagneettisten aaltojen pintavuorovaikutusista plasmonien kanssa - yleensä metallien tai puolimetallien yhteydessä, koska niillä on suurempi vapaiden elektronien tiheys. Näiden vaikutuksien valjastamien voi saada aikaan läpimurron erittäin tarkalle elektroniikalle ja optiikalle.

Yksi mahdollisuus, jonka plasmoniikan vaikutukset avaavat, on alle aallonpituisen valon fokusointi, mikä lisää plasmonisten laitteiden herkkyyttä pisteeseen, jossa ne voivat erottaa yksittäisiä molekyylejä. Tällaiset mittaukset ovat mikä tahansa tavanomaisen optisen laitteen saavuttamattomissa.

Valitettavasti plasmoneilla on metalleissa taipumus menettää energiaa joten ne tarvitsevat jatkuvaa herätettä. Tätä ongelmaa pyritään ratkaisemaan mikrorakenteisilla komposiittimateriaaleilla. Lisäksi oli löydettävä numeerinen ratkaisu asiaan liittyviin kvanttimekaniikkaan yhtälöihin.

Tämän seurauksena, tutkijat hahmottivat pintaplasmonia emittoivan diodin (SPED) ja laserin nanoplasmonisen vastineen (spaserin) toimintaa, kun näihin rakenteisiin liittyy grafeenikerros. Grafeenispaser voitaisiin jopa suunnitella käytettäväksi kompaktina spektrin mittalaitteena, jolla voidaan havaita jopa yksittäinen molekyyli jotain ainetta.

Tällaiset anturirakenteet voisivat havaita orgaanisia molekyyleja. Toiminta perustuisi molekyyleille ominaisiin värähtelysiirtymiin, kun valo emittoituu tai absorboituu keskipitkällä infrapuna-alueella, joka on tarkalleen se missä grafeenipohjainen spaser toimii, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.