De afgelopen tien jaar is de belangstelling voor nieuwe single-photon-detectortechnologieën toegenomen. Vandaag de dag, kwantumoptica en kwantuminformatietoepassingen zijn, onder andere, een van de belangrijkste voorlopers voor de versnelde ontwikkeling van enkelvoudige fotondetectoren. In staat om een ​​temperatuurstijging van een individueel geabsorbeerd foton waar te nemen, ze kunnen worden gebruikt om ons te helpen studeren en begrijpen, bijvoorbeeld, melkwegvorming door de kosmische infrarode achtergrond, observeer verstrengeling van supergeleidende qubits of verbeter methoden voor de distributie van kwantumsleutels voor ultraveilige communicatie.

Huidige detectoren zijn efficiënt in het detecteren van inkomende fotonen met relatief hoge energieën, maar hun gevoeligheid neemt drastisch af voor lage frequenties, laagenergetische fotonen. In recente jaren, grafeen is een uitzonderlijk efficiënte fotodetector gebleken voor een breed scala van het elektromagnetische spectrum, nieuwe soorten toepassingen op dit gebied mogelijk te maken.

Dus, in een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling toegepast , en gemarkeerd in APS Physics, ICFO-onderzoeker en groepsleider prof.dr. Dmitri Efetov, in samenwerking met onderzoekers van Harvard University, MIT, Raytheon BBN Technologies en Pohang University of Science and Technology, hebben het gebruik van op grafeen gebaseerde Josephson-juncties (GJJ's) voorgesteld om enkele fotonen in een breed elektromagnetisch spectrum te detecteren, variërend van het zichtbare tot het lage uiteinde van radiofrequenties, in het gigahertz-bereik.

In hun studie hebben de wetenschappers stelden zich een vel grafeen voor dat tussen twee supergeleidende lagen wordt geplaatst. De zo gecreëerde Josephson-junctie laat een superstroom door het grafeen stromen wanneer het wordt afgekoeld tot 25 mK. Onder deze voorwaarden, de warmtecapaciteit van het grafeen is zo laag, dat wanneer een enkel foton de grafeenlaag raakt, het is in staat om het elektronenbad zo sterk op te warmen, dat de superstroom resistief wordt - in het algemeen leidt dit tot een gemakkelijk detecteerbare spanningspiek over het apparaat. In aanvulling, ze ontdekten ook dat dit effect bijna onmiddellijk zou optreden, waardoor de ultrasnelle omzetting van geabsorbeerd licht in elektrische signalen mogelijk wordt, waardoor een snelle reset en uitlezing mogelijk is.

De resultaten van de studie bevestigen dat we een snelle vooruitgang kunnen verwachten bij de integratie van grafeen en andere 2D-materialen met conventionele elektronische platforms, zoals in CMOS-chips, en toont een veelbelovend pad naar enkel-foton-oplossende beeldvormingsarrays, kwantuminformatieverwerkingstoepassingen van optische en microgolffotonen, en andere toepassingen die baat zouden hebben bij de kwantumbeperkte detectie van fotonen met lage energie.