Ultrasensitieve grafene microgolf foton sensor

Een microgolfstralingssensor met 100.000 keer hogere gevoeligheid dan momenteel beschikbare commerciële sensoren is ontwikkeld. De bolometer is gefabriceerd door de gigantische thermische respons van grafene aan microgolfstraling te benutten. De microgolfbolometer is in staat een enkele microgolffoton te detecteren — de kleinste hoeveelheid energie in de natuur.

De grafene bolometer sensor detecteert elektromagnetische straling door de temperatuurstijging te meten als de fotonen geabsorbeerd worden in de sensor. Grafene is een tweedimensionaal, één-atoom-laag dik materiaal. Het onderzoeksteam bereikte een hoge bolometergevoeligheid door grafene in de microgolfantenne te incorporeren.

A sleutelinnovatie in deze vooruitgang is om de temperatuurstijging te meten door een supergeleidende Josephson-koppeling terwijl een hoge microgolfstralingskoppeling in de grafene via een antenne wordt gehandhaafd. De koppelings-efficiëntie is essentieel in hoge-gevoeligheidsdetectie. Een Josephson-koppeling is een kwantummechanisch apparaat gemaakt van twee supergeleidende elektroden gescheiden door een barrière (dunne isolerende tunnelbarrière, normaal metaal, halfgeleider, ferromagnet, etc.).

Naast dun te zijn, zijn de elektronen in grafene ook in een heel speciale bandstructuur waarin de valentie- en geleidingsbanden zich op slechts één punt ontmoeten, bekend als Dirac-punt. De dichtheid van toestanden verdwijnt daar; wanneer de elektronen de fotonenergie ontvangen, is de temperatuurstijging hoog terwijl de warmtelekkage klein is.

Met verhoogde gevoeligheid van bolometerdetectoren heeft dit onderzoek een nieuw pad gevonden om de prestaties van systemen die elektromagnetische signalen detecteren zoals radar, nachtvisie, LiDAR (Light Detection and Ranging), en communicatie te verbeteren. Het kan ook nieuwe toepassingen mogelijk maken zoals kwantuminformatiewetenschap, thermische imaging, en de zoektocht naar donkere materie.