Ontwikkeling van de snelste en meest gevoelige microgolfbolometer van grafeen

Bolometers zijn apparaten die het vermogen meten van invallende elektromagnetische straling door de verwarming van materialen, die een temperatuur-elektrische weerstandsafhankelijkheid vertonen. Deze instrumenten behoren tot de meest gevoelige detectoren die tot dusver zijn gebruikt voor de detectie van infraroodstraling en zijn de belangrijkste instrumenten voor toepassingen die variëren van geavanceerde thermische beeldvorming, nachtzicht, infraroodspectroscopie tot observationele astronomie, om er maar een paar te noemen.

Ook al hebben ze bewezen uitstekende sensoren te zijn voor dit specifieke stralingsbereik, de uitdaging ligt in het bereiken van een hoge gevoeligheid, snelle reactietijd en sterke lichtabsorptie, die niet altijd allemaal samen worden bereikt. Er zijn veel onderzoeken uitgevoerd om deze bolometers met hogere gevoeligheid te verkrijgen door te zoeken naar het verkleinen van de detector en zo de thermische respons te verhogen, en daarbij hebben ze ontdekt dat grafeen hiervoor een uitstekende kandidaat lijkt.

Als we ons concentreren op het infraroodbereik, hebben verschillende experimenten aangetoond dat als je een vel grafeen neemt en dit tussen twee lagen supergeleidend materiaal plaatst om een ​​Josephson-overgang te creëren, je een enkel foton-detectorapparaat kunt krijgen. Bij lage temperaturen en bij afwezigheid van fotonen vloeit er een supergeleidende stroom door het apparaat. Wanneer een enkel infrarood foton door de detector gaat, is de warmte die het genereert voldoende om het grafeen op te warmen, waardoor de Josephson-overgang zodanig verandert dat er geen supergeleidende stroom kan stromen. U kunt dus daadwerkelijk de fotonen detecteren die door het apparaat gaan door de stroom te meten. Dit kan in feite worden gedaan omdat grafeen een bijna verwaarloosbare elektronische warmtecapaciteit heeft. Dit betekent dat, in tegenstelling tot materialen die warmte vasthouden zoals water, in het geval van grafeen een enkel laag-energetisch foton de detector voldoende kan verwarmen om de supergeleidende stroom te blokkeren, en vervolgens snel kan dissiperen, waardoor de detector snel kan worden gereset en zo wordt bereikt zeer snelle reacties en hoge gevoeligheden.

Proberen een stap verder te gaan en naar hogere golflengten te gaan, in een recente studie gepubliceerd in Natuurheeft een team van wetenschappers, waaronder ICFO-onderzoeker Dmitri Efetov, samen met collega’s van Harvard University, Raytheon BBN Technologies, MIT en het National Institute for Material Sciences, een op grafeen gebaseerde bolometer kunnen ontwikkelen die microgolffotonen kan detecteren hoge gevoeligheden en met snelle reacties in de tijd.

Net als bij het infraroodbereik, nam het team een ​​vel grafeen en plaatste het tussen twee lagen supergeleidend materiaal om een ​​Josephson-overgang te creëren. Deze keer gingen ze een geheel nieuwe weg in en bevestigden ze een microgolfresonator om de microgolffotonen op te wekken en door deze fotonen door het apparaat te laten gaan, konden ze een ongekend detectieniveau bereiken. Ze waren in het bijzonder in staat om enkele fotonen te detecteren met een veel lagere energieresolutie, gelijk aan die van een enkel 32 Ghz foton, en 100.000 keer sneller te detecteren dan de snelste nanodraadbolometers die tot nu toe zijn gebouwd.

De resultaten van dit onderzoek betekenen een grote doorbraak op het gebied van bolometers. Grafeen heeft niet alleen bewezen een ideaal materiaal te zijn voor infrarooddetectie en -beeldvorming, maar het heeft ook bewezen dat het zich uitstrekt tot hogere golflengten en de microgolf bereikt, waar het ook extreem hoge gevoeligheden en ultrasnelle uitleestijden heeft.

Zoals Prof. bij ICFO Dmitri Efetov opmerkt: “dergelijke prestaties werden voor onmogelijk gehouden met traditionele materialen, en grafeen deed het opnieuw. Dit opent geheel nieuwe wegen voor kwantumsensoren voor kwantumberekening en kwantumcommunicatie.”