Udvikling af det hurtigste og mest følsomme grafenmikrobølgebolometer

Bolometre er enheder, der måler effekten af ​​indfaldende elektromagnetisk stråling gennem opvarmning af materialer, som udviser en temperatur-elektrisk modstandsafhængighed. Disse instrumenter er blandt de hidtil mest følsomme detektorer, der er brugt til infrarød strålingsdetektion og er nøgleværktøjer til applikationer, der spænder fra avanceret termisk billeddannelse, nattesyn, infrarød spektroskopi til observationsastronomi, for at nævne et par stykker.

Selvom de har vist sig at være fremragende sensorer til denne specifikke række af stråling, udfordringen ligger i at opnå høj sensitivitet, hurtig responstid og stærk lysabsorption, som ikke altid bliver gennemført alle sammen. Mange undersøgelser er blevet udført for at opnå disse højere følsomme bolometre ved at søge for at reducere størrelsen af ​​detektoren og dermed øge den termiske respons, og ved at gøre det, de har fundet ud af, at grafen ser ud til at være en fremragende kandidat til dette.

Hvis vi fokuserer på det infrarøde område, flere eksperimenter har vist, at hvis du tager et ark grafen og placerer det mellem to lag superledende materiale for at skabe et Josephson-kryds, du kan få en enkelt fotondetektor enhed. Ved lave temperaturer, og i fravær af fotoner, en superledende strøm løber gennem enheden. Når en enkelt infrarød foton passerer gennem detektoren, varmen, den genererer, er nok til at varme grafenen op, som ændrer Josephson-forbindelsen således, at der ikke kan strømme nogen superledende strøm. Så du kan faktisk registrere de fotoner, der passerer gennem enheden, ved at måle strømmen. Dette kan grundlæggende gøres, fordi grafen har en næsten ubetydelig elektronisk varmekapacitet. Det betyder at, i modsætning til materialer, der holder på varmen som vand, i tilfælde af grafen kan en enkelt lavenergifoton opvarme detektoren nok til at blokere den superledende strøm, og derefter forsvinde hurtigt, tillader detektoren at nulstille hurtigt, og dermed opnå meget hurtige tidssvar og høje følsomheder.

Forsøger at tage et skridt videre og bevæge sig til højere bølgelængder, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Natur , et hold af videnskabsmænd, som omfatter ICFO-forsker Dmitri Efetov, sammen med kolleger fra Harvard University, Raytheon BBN Technologies, MIT, og National Institute for Material Sciences, har været i stand til at udvikle et grafenbaseret bolometer, der kan detektere mikrobølgefotoner ved ekstremt høje følsomheder og med hurtige tidsreaktioner.

Ligesom med det infrarøde område, holdet tog et ark grafen og placerede det mellem to lag superledende materiale for at skabe et Josephson-kryds. Denne gang, de gik en helt ny rute og tilsluttede en mikrobølgeresonator for at generere mikrobølgefotonerne og ved at føre disse fotoner gennem enheden, var i stand til at nå et hidtil uset detektionsniveau. I særdeleshed, de var i stand til at detektere enkelte fotoner med en meget lavere energiopløsning, svarende til en enkelt 32 Ghz foton, og opnå detektionsudlæsninger 100.000 gange hurtigere end de hurtigste nanotrådsbolometre, der er konstrueret hidtil.

De opnåede resultater i denne undersøgelse betyder et stort gennembrud inden for bolometre. Ikke alene har grafen vist sig at være et ideelt materiale til infrarød sensing og billeddannelse, men det har også vist sig at spænde til højere bølgelængder, når mikroovnen, hvor den også har vist sig at opnå ekstrem høj følsomhed og ultrahurtige udlæsningstider.

Som professor ved ICFO Dmitri Efetov kommenterer "sådanne præstationer blev anset for umulige med traditionelle materialer, og grafen gjorde tricket igen. Dette åbner helt nye veje for kvantesensorer til kvanteberegning og kvantekommunikation."