Моноатомный углеродный слой, напоминающий пчелиные соты и известный как графен, обладает целым букетом механических и электронных свойств, которые не дают покоя учёным, старающимся придумать этим свойствам достойное применение. Оптические (или, вернее, оптоэлектронные) свойства графена, напротив, активного интереса до сих пор не вызывали. Теперь же благодаря исследованиям, проведённым в Институте материаловедения и инжиниринга (Сингапур), всё может измениться.

Учёные обнаружили, что взаимодействие одиночных листов графена, находящихся на определённом расстоянии друг от друга, позволяет установить контроль над распространением света на нанометровом уровне.

Полученных результатов хватило сразу на две статьи, опубликованные в журналах Physical Review Letters и Physical Review B.

Рис. 1. Энергетические состояния плазмонов: любая поверхность представляет энергетическое состояние в зависимости от различного количества электронов в каждом листе графена. (Иллюстрация A*Research).

Вот один из самых интригующих результатов: свет, проходящий между двумя близко расположенными одиночными листами графена, может распространяться более эффективно (с меньшими потерями), чем в случае непарного листа.

Учёные отмечают, что

это свойство может с успехом применяться в нанофокусировочной оптической микроскопии, а также в суперлинзовой визуализации наноразмерных объектов. В традиционных оптических инструментах свет может контролироваться только структурами, масштаб которых сравним с длиной волны используемого света, что в случае с видимым светом значительно больше, чем толщина графена. Листы же графена, используя свои поверхностные плазмоны (коллективные движения электронов на поверхности проводника), способны фокусировать свет в луч с сечением всего в несколько нанометров.

Авторы работы рассчитали теоретическую картину распространения поверхностных плазмонов в структурах, состоящих из моноатомных графеновых листов, разделённых изолирующим материалом.

Оказалось, что при

небольшом разнесении (около 20 нм) поверхностные плазмоны графеновых листов находятся в состоянии сильного согласованного взаимодействия, которое самым радикальным образом влияет на характер распространения света между этими листами.

В результате снижается величина оптических потерь, то есть свет может распространяться на бόльшие расстояния. Кроме того,

при определённом угле падения света расчёты предсказывают появление «обратной» рефракции, то есть отражённый световой поток пойдёт в направлении, которое противоположно тому, что обычно наблюдается. Это может привести к таким замечательным эффектам, как суперлинзирование — явление, позволяющее проводить визуализацию объектов с практически не ограниченным разрешением (за пределом дифракционного барьера).

Стоит также отметить, что графен позволяет осуществлять эффективное взаимодействие с другими объектами, находящимися по соседству, такими как адсорбированные на его поверхности молекулы.