Nyt bolometer er hurtigere, enklere, og dækker flere bølgelængder

Bolometre, enheder, der overvåger elektromagnetisk stråling gennem opvarmning af et absorberende materiale, bruges af både astronomer og husejere. Men de fleste sådanne enheder har begrænset båndbredde og skal drives ved ultralave temperaturer. Nu, forskere siger, at de har fundet et ultrahurtigt, men meget følsomt alternativ, der kan fungere ved stuetemperatur - og kan være meget billigere.

Fundene, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi , kunne være med til at bane vejen mod nye former for astronomiske observatorier til emissioner med lang bølgelængde, nye varmesensorer til bygninger, og endda nye former for kvanteregistrering og informationsbehandlingsenheder, siger det tværfaglige forskerhold. Gruppen omfatter nylige MIT postdoc Dmitri Efetov, Professor Dirk Englund fra MIT's Institut for Elektroteknik og Datalogi, Kin Chung Fong fra Raytheon BBN Technologies, og kolleger fra MIT og Columbia University.

"Vi tror på, at vores arbejde åbner døren til nye typer effektive bolometre baseret på lavdimensionelle materialer, siger Englund, avisens seniorforfatter. Han siger, at det nye system, baseret på opvarmning af elektroner i et lille stykke af en todimensionel form for kulstof kaldet grafen, for første gang kombinerer både høj følsomhed og høj båndbredde - størrelsesordener større end konventionelle bolometre - i en enkelt enhed.

"Den nye enhed er meget følsom, og samtidig ultrahurtigt, "har potentialet til at tage aflæsninger på bare picosekunder (billiontedele af et sekund), siger Efetov, nu professor ved ICFO, Institute of Photonic Sciences i Barcelona, Spanien, hvem er avisens hovedforfatter. "Denne kombination af ejendomme er unik, " han siger.

Det nye system kan også fungere ved enhver temperatur, han siger, i modsætning til nuværende enheder, der skal køles til ekstremt lave temperaturer. Selvom de fleste faktiske anvendelser af enheden stadig ville blive udført under disse ultrakolde forhold, for nogle applikationer, såsom termiske sensorer til bygningseffektivitet, evnen til at fungere uden specialiserede kølesystemer kunne være et reelt plus. "Dette er den første enhed af denne art, der ikke har nogen grænse for temperatur, " siger Efetov.

Det nye bolometer de byggede, og demonstreret under laboratorieforhold, kan måle den samlede energi transporteret af fotoner ved indgående elektromagnetisk stråling, om denne stråling er i form af synligt lys, radiobølger, mikrobølger, eller andre dele af spektret. Den stråling kan komme fra fjerne galakser, eller fra de infrarøde varmebølger, der slipper ud fra et dårligt isoleret hus.

Enheden er helt anderledes end traditionelle bolometre, som typisk bruger et metal til at absorbere strålingen og måle den resulterende temperaturstigning. I stedet, dette hold udviklede en ny type bolometer, der er afhængig af opvarmning af elektroner, der bevæger sig i et lille stykke grafen, i stedet for at opvarme et solidt metal. Grafen er koblet til en enhed kaldet en fotonisk nanokavitet, som tjener til at forstærke absorptionen af ​​strålingen, Englund forklarer.

"De fleste bolometre er afhængige af vibrationer af atomer i et stykke materiale, som har en tendens til at gøre deres reaktion langsom, " siger han. I dette tilfælde, selvom, "i modsætning til et traditionelt bolometer, det opvarmede legeme her er simpelthen elektrongassen, som har en meget lav varmekapacitet, hvilket betyder, at selv en lille energitilførsel på grund af absorberede fotoner forårsager et stort temperatursving, " hvilket gør det lettere at foretage præcise målinger af den energi. Selvom grafenbolometre tidligere var blevet demonstreret, dette arbejde løser nogle af de vigtige udestående udfordringer, inklusive effektiv absorption i grafen ved hjælp af en nanokavitet, og den impedanstilpassede temperaturaflæsning.

Den nye teknologi, Englund siger:"åbner et nyt vindue for bolometre med helt nye funktioner, der radikalt kan forbedre termisk billeddannelse, observationsastronomi, kvanteinformation, og kvantesansning, blandt andre applikationer. "

For astronomiske observationer, det nye system kunne hjælpe ved at udfylde nogle af de resterende bølgelængdebånd, som endnu ikke har haft praktiske detektorer til at foretage observationer, såsom "terahertz-gabet" af frekvenser, der er meget svære at opfange med eksisterende systemer. "Der, vores detektor kunne være et state-of-the-art system" til at observere disse undvigende stråler, Efetov siger. Det kan være nyttigt til at observere den meget lange bølgelængde kosmiske baggrundsstråling, han siger.