Bolometrar, anordningar som övervakar elektromagnetisk strålning genom uppvärmning av ett absorberande material, används av både astronomer och husägare. Men de flesta sådana enheter har begränsad bandbredd och måste användas vid ultralåga temperaturer. Nu, forskare säger att de har hittat ett ultrasnabbt men ändå mycket känsligt alternativ som kan fungera i rumstemperatur - och kan vara mycket billigare.

Resultaten, publiceras idag i tidskriften Naturens nanoteknik , kan hjälpa till att bana väg mot nya typer av astronomiska observatorier för långvågiga utsläpp, nya värmesensorer för byggnader, och till och med nya typer av kvantavkännings- och informationsbehandlingsenheter, säger det tvärvetenskapliga forskarteamet. I gruppen ingår nyligen MIT postdoc Dmitri Efetov, Professor Dirk Englund vid MIT:s institution för elektroteknik och datavetenskap, Kin Chung Fong från Raytheon BBN Technologies, och kollegor från MIT och Columbia University.

"Vi tror att vårt arbete öppnar dörren till nya typer av effektiva bolometrar baserade på lågdimensionella material, säger Englund, tidningens seniorförfattare. Han säger att det nya systemet, baserat på uppvärmning av elektroner i en liten bit av en tvådimensionell form av kol som kallas grafen, för första gången kombinerar både hög känslighet och hög bandbredd - storleksordningar större än konventionella bolometrar - i en enda enhet.

"Den nya enheten är mycket känslig, och samtidigt ultrasnabb, "har potentialen att ta avläsningar på bara pikosekunder (biljondelar av en sekund), säger Efetov, nu professor vid ICFO, Institutet för fotoniska vetenskaper i Barcelona, Spanien, vem är tidningens huvudförfattare. "Denna kombination av egenskaper är unik, " han säger.

Det nya systemet kan också fungera vid vilken temperatur som helst, han säger, till skillnad från nuvarande apparater som måste kylas till extremt låga temperaturer. Även om de flesta faktiska tillämpningar av enheten fortfarande skulle göras under dessa ultrakalla förhållanden, för vissa applikationer, såsom termiska sensorer för byggnadseffektivitet, möjligheten att fungera utan specialiserade kylsystem kan vara ett riktigt plus. "Detta är den första enheten av det här slaget som inte har någon temperaturgräns, " säger Efetov.

Den nya bolometern de byggde, och demonstreras under laboratorieförhållanden, kan mäta den totala energi som bärs av fotoner från inkommande elektromagnetisk strålning, om den strålningen är i form av synligt ljus, radiovågor, mikrovågor, eller andra delar av spektrumet. Den strålningen kan komma från avlägsna galaxer, eller från de infraröda vågorna av värme som strömmar ut från ett dåligt isolerat hus.

Enheten skiljer sig helt från traditionella bolometrar, som vanligtvis använder en metall för att absorbera strålningen och mäta den resulterande temperaturökningen. Istället, detta team utvecklade en ny typ av bolometer som bygger på uppvärmning av elektroner som rör sig i en liten bit grafen, istället för att värma en solid metall. Grafenen är kopplad till en enhet som kallas en fotonisk nanokavitet, som tjänar till att förstärka absorptionen av strålningen, Englund förklarar.

"De flesta bolometrar är beroende av vibrationerna från atomer i ett stycke material, som tenderar att göra deras svar långsamma, " säger han. I det här fallet, fastän, "till skillnad från en traditionell bolometer, den uppvärmda kroppen här är helt enkelt elektrongasen, som har en mycket låg värmekapacitet, vilket innebär att även en liten energitillförsel på grund av absorberade fotoner orsakar en stor temperatursvängning, " vilket gör det lättare att göra exakta mätningar av den energin. Även om grafenbolometrar tidigare hade visats, detta arbete löser några av de viktiga utestående utmaningarna, inklusive effektiv absorption i grafen med hjälp av en nanokavitet, och den impedansanpassade temperaturavläsningen.

Den nya tekniken, Englund säger:"öppnar ett nytt fönster för bolometrar med helt nya funktioner som radikalt kan förbättra värmeavbildning, observationsastronomi, kvantinformation, och kvantavkänning, bland andra applikationer."

För astronomiska observationer, det nya systemet skulle kunna hjälpa till genom att fylla i några av de återstående våglängdsbanden som ännu inte har haft praktiska detektorer för att göra observationer, såsom "terahertz gap" av frekvenser som är mycket svåra att fånga upp med befintliga system. "Där, vår detektor kan vara ett toppmodernt system" för att observera dessa svårfångade strålar, säger Efetov. Det kan vara användbart för att observera den mycket långa kosmiska bakgrundsstrålningen, han säger.