Bolometers zijn apparaten die de kracht 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 nu toe zijn gebruikt voor detectie van infraroodstraling en zijn belangrijke hulpmiddelen voor toepassingen die variëren van geavanceerde thermische beeldvorming tot nachtzicht, infrarood spectroscopie tot observationele astronomie, om er een paar te noemen.

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

Als we ons concentreren op het infraroodbereik, verschillende experimenten hebben aangetoond dat als je een vel grafeen neemt en het tussen twee lagen supergeleidend materiaal plaatst om een ​​Josephson-overgang te creëren, u kunt een enkel fotondetectorapparaat verkrijgen. Bij lage temperaturen, en bij afwezigheid van fotonen, er vloeit een supergeleidende stroom door het apparaat. Wanneer een enkel infrarood foton door de detector gaat, de warmte die het genereert is voldoende om het grafeen op te warmen, die de Josephson-overgang zodanig verandert dat er geen supergeleidende stroom kan vloeien. Je kunt dus daadwerkelijk de fotonen detecteren die door het apparaat gaan door de stroom te meten. Dit kan in principe 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 kan een enkel foton met lage energie de detector voldoende verwarmen om de supergeleidende stroom te blokkeren, en dan snel verdwijnen, waardoor de detector snel kan resetten, en daardoor zeer snelle tijdreacties en hoge gevoeligheden te bereiken.

Proberen een stap verder te gaan en naar hogere golflengten te gaan, in een recente studie gepubliceerd in Natuur , een team van wetenschappers waaronder ICFO-onderzoeker Dmitri Efetov, samen met collega's van Harvard University, Raytheon BBN-technologieën, MIT, en het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen, heeft een op grafeen gebaseerde bolometer kunnen ontwikkelen die microgolffotonen kan detecteren bij extreem hoge gevoeligheden en met snelle tijdreacties.

Net als bij het infraroodbereik, het team nam een ​​vel grafeen en plaatste het tussen twee lagen supergeleidend materiaal om een ​​Josephson-junctie te creëren. Deze keer, ze gingen een geheel nieuwe route en bevestigden een microgolfresonator om de microgolffotonen te genereren en door deze fotonen door het apparaat te leiden, waren in staat om ongekende detectieniveaus te bereiken. Vooral, ze waren in staat om enkele fotonen te detecteren met een veel lagere energieresolutie, gelijk aan die van een enkel 32 Ghz foton, en bereik detectie-uitlezingen 100.000 keer sneller 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 is niet alleen een ideaal materiaal gebleken voor infrarooddetectie en -beeldvorming, maar het heeft ook bewezen dat het zich uitstrekt tot hogere golflengten, de magnetron bereiken, waar het ook heeft aangetoond extreem hoge gevoeligheden en ultrasnelle uitleestijden te bereiken.

Zoals Prof. bij ICFO Dmitri Efetov opmerkt:"Dergelijke prestaties werden onmogelijk geacht met traditionele materialen, en grafeen deed het weer. Dit opent geheel nieuwe wegen voor kwantumsensoren voor kwantumberekening en kwantumcommunicatie."