Bolometers, apparaten die elektromagnetische straling bewaken door verwarming van een absorberend materiaal, worden zowel door astronomen als huiseigenaren gebruikt. Maar de meeste van dergelijke apparaten hebben een beperkte bandbreedte en moeten bij ultralage temperaturen worden gebruikt. Nutsvoorzieningen, onderzoekers zeggen dat ze een ultrasnel maar zeer gevoelig alternatief hebben gevonden dat bij kamertemperatuur kan werken - en mogelijk veel goedkoper is.

De bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , zou kunnen helpen de weg vrij te maken voor nieuwe soorten astronomische observatoria voor emissies over lange golflengten, nieuwe warmtesensoren voor gebouwen, en zelfs nieuwe soorten kwantumdetectie- en informatieverwerkingsapparatuur, zegt het multidisciplinaire onderzoeksteam. De groep omvat de recente MIT-postdoc Dmitri Efetov, Professor Dirk Englund van MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science, Kin Chung Fong van Raytheon BBN Technologies, en collega's van MIT en Columbia University.

"Wij geloven dat ons werk de deur opent naar nieuwe soorten efficiënte bolometers op basis van laagdimensionale materialen, " zegt Englund, senior auteur van de krant. Hij zegt dat het nieuwe systeem, gebaseerd op de verwarming van elektronen in een klein stukje van een tweedimensionale vorm van koolstof, grafeen genaamd, combineert voor het eerst zowel een hoge gevoeligheid als een hoge bandbreedte - ordes van grootte groter dan die van conventionele bolometers - in een enkel apparaat.

"Het nieuwe apparaat is erg gevoelig, en tegelijkertijd ultrasnel, " met het potentieel om metingen te doen in slechts picoseconden (biljoensten van een seconde), zegt Efetov, nu hoogleraar bij ICFO, het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona, Spanje, wie is de hoofdauteur van het artikel. "Deze combinatie van eigenschappen is uniek, " hij zegt.

Het nieuwe systeem kan ook bij elke temperatuur werken, hij zegt, in tegenstelling tot huidige apparaten die tot extreem lage temperaturen gekoeld moeten worden. Hoewel de meeste daadwerkelijke toepassingen van het apparaat nog steeds zouden worden gedaan onder deze ultrakoude omstandigheden, voor sommige toepassingen, zoals thermische sensoren voor de efficiëntie van gebouwen, de mogelijkheid om te werken zonder gespecialiseerde koelsystemen zou een echt pluspunt kunnen zijn. "Dit is het eerste apparaat van deze soort dat geen limiet heeft op temperatuur, ', zegt Efetov.

De nieuwe bolometer die ze bouwden, en aangetoond onder laboratoriumomstandigheden, kan de totale energie meten die wordt gedragen door de fotonen van inkomende elektromagnetische straling, of die straling in de vorm van zichtbaar licht is, Radio golven, magnetrons, of andere delen van het spectrum. Die straling kan afkomstig zijn van verre sterrenstelsels, of van de infrarode warmtegolven die uit een slecht geïsoleerd huis ontsnappen.

Het apparaat is totaal anders dan traditionele bolometers, die typisch een metaal gebruiken om de straling te absorberen en de resulterende temperatuurstijging te meten. In plaats daarvan, dit team ontwikkelde een nieuw type bolometer die afhankelijk is van verhittingselektronen die in een klein stukje grafeen bewegen, in plaats van een vast metaal te verhitten. Het grafeen is gekoppeld aan een apparaat dat een fotonische nanoholte wordt genoemd, die dient om de absorptie van de straling te versterken, Englund legt uit.

"De meeste bolometers vertrouwen op de trillingen van atomen in een stuk materiaal, die de neiging hebben om hun reactie traag te maken, "zegt hij. In dit geval, Hoewel, "in tegenstelling tot een traditionele bolometer, het verwarmde lichaam hier is gewoon het elektronengas, die een zeer lage warmtecapaciteit heeft, wat betekent dat zelfs een kleine energie-input als gevolg van geabsorbeerde fotonen een grote temperatuurschommeling veroorzaakt, " waardoor het gemakkelijker wordt om precieze metingen van die energie te doen. Hoewel eerder was aangetoond dat grafeenbolometers dit werk lost enkele van de belangrijke openstaande uitdagingen op, inclusief efficiënte absorptie in het grafeen met behulp van een nanocavity, en de impedantie-aangepaste temperatuuruitlezing.

De nieuwe technologie, Englund zegt, "opent een nieuw venster voor bolometers met geheel nieuwe functionaliteiten die thermische beeldvorming radicaal zouden kunnen verbeteren, observatie astronomie, kwantum informatie, en kwantumdetectie, onder andere toepassingen."

Voor astronomische waarnemingen, het nieuwe systeem zou kunnen helpen door enkele van de resterende golflengtebanden in te vullen die nog geen praktische detectoren hadden om waarnemingen te doen, zoals de "terahertz-kloof" van frequenties die zeer moeilijk op te pikken zijn met bestaande systemen. "Daar, onze detector zou een state-of-the-art systeem kunnen zijn" voor het waarnemen van deze ongrijpbare stralen, zegt Efetov. Het zou nuttig kunnen zijn voor het observeren van de zeer lange golflengte kosmische achtergrondstraling, hij zegt.