Hooggevoelige microgolfstralingssensor

Er is een microgolfstralingssensor ontwikkeld met een 100.000 keer hogere gevoeligheid dan de momenteel beschikbare commerciële sensoren. De bolometer is gemaakt door gebruik te maken van de gigantische thermische respons van grafeen op microgolfstraling. De microgolfbolometer kan een enkel microgolffoton detecteren - de kleinste hoeveelheid energie in de natuur.

De grafeenbolometersensor detecteert elektromagnetische straling door de temperatuurstijging te meten wanneer de fotonen in de sensor worden geabsorbeerd. Grafeen is een tweedimensionaal materiaal van één atoomlaag dik. Het onderzoeksteam bereikte een hoge bolometergevoeligheid door grafeen op te nemen in de microgolfantenne.

Een belangrijke innovatie in deze vooruitgang is het meten van de temperatuurstijging door supergeleidende Josephson-junctie, terwijl een hoge microgolfstralingskoppeling in het grafeen via een antenne wordt gehandhaafd. De koppelingsefficiëntie is essentieel bij detectie met hoge gevoeligheid. Een Josephson-junctie is een kwantummechanisch apparaat dat bestaat uit twee supergeleidende elektroden, gescheiden door een barrière (dunne isolerende tunnelbarrière, normaal metaal, halfgeleider, ferromagneet, enz.).

Behalve dat ze dun zijn, bevinden de elektronen in grafeen zich ook in een heel speciale bandstructuur waarin de valentie- en geleidingsbanden elkaar ontmoeten op slechts één punt dat bekend staat als Dirac-punt. De dichtheid van staten verdwijnt daar; wanneer de elektronen de fotonenergie ontvangen, is de temperatuurstijging hoog terwijl de warmtelekkage klein is.

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