Bolometrar är enheter som mäter effekten av infallande elektromagnetisk strålning genom uppvärmning av material, som uppvisar ett temperatur-elektriskt resistansberoende. Dessa instrument är bland de mest känsliga detektorerna som hittills använts för detektering av infraröd strålning och är nyckelverktyg för applikationer som sträcker sig från avancerad värmeavbildning, nattseende, infraröd spektroskopi till observationsastronomi, för att nämna några.

Även om de har visat sig vara utmärkta sensorer för detta specifika spektrum av strålning, utmaningen ligger i att uppnå hög känslighet, snabb svarstid och stark ljusabsorption, som inte alltid uppnås tillsammans. Många studier har utförts för att erhålla dessa bolometrar med högre känslighet genom att söka för att minska storleken på detektorn och därmed öka den termiska responsen, och därvid, de har funnit att grafen verkar vara en utmärkt kandidat för detta.

Om vi ​​fokuserar på det infraröda området, flera experiment har visat att om du tar ett ark grafen och placerar det mellan två lager supraledande material för att skapa en Josephson-övergång, du kan få en enda fotondetektorenhet. Vid låga temperaturer, och i frånvaro av fotoner, en supraledande ström flyter genom enheten. När en enda infraröd foton passerar genom detektorn, värmen den genererar räcker för att värma upp grafen, som ändrar Josephson-övergången så att ingen supraledande ström kan flyta. Så du kan faktiskt upptäcka fotonerna som passerar genom enheten genom att mäta strömmen. Detta kan göras i grunden eftersom grafen har en nästan försumbar elektronisk värmekapacitet. Detta innebär att, i motsats till material som håller värmen som vatten, i fallet med grafen kan en enda lågenergifoton värma detektorn tillräckligt för att blockera den supraledande strömmen, och försvinner sedan snabbt, så att detektorn snabbt kan återställas, och därmed uppnå mycket snabba tidssvar och höga känsligheter.

Försöker ta ett steg längre och gå till högre våglängder, i en nyligen publicerad studie Natur , ett team av forskare som inkluderar ICFO-forskaren Dmitri Efetov, tillsammans med kollegor från Harvard University, Raytheon BBN Technologies, MIT, och National Institute for Material Sciences, har kunnat utveckla en grafenbaserad bolometer som kan detektera mikrovågsfotoner vid extremt höga känsligheter och med snabba tidssvar.

Precis som med det infraröda området, laget tog ett ark grafen och placerade det mellan två lager supraledande material för att skapa en Josephson-övergång. Den här gången, de gick en helt ny väg och kopplade till en mikrovågsresonator för att generera mikrovågsfotoner och genom att föra dessa fotoner genom enheten, kunde nå en aldrig tidigare skådad upptäcktsnivå. Särskilt, de kunde detektera enstaka fotoner med en mycket lägre energiupplösning, motsvarande den för en enda 32 Ghz foton, och uppnå detekteringsavläsningar 100 000 gånger snabbare än de snabbaste nanotrådsbolometrarna som byggts hittills.

Resultaten som uppnåtts i denna studie innebär ett stort genombrott inom området bolometrar. Grafen har inte bara visat sig vara ett idealiskt material för infraröd avkänning och bildbehandling, men det har också visat sig sträcka sig till högre våglängder, når mikrovågsugnen, där den också har visat sig uppnå extremt höga känsligheter och ultrasnabba avläsningstider.

Som professor vid ICFO Dmitri Efetov kommenterar "sådana prestationer ansågs omöjliga med traditionella material, och grafen gjorde susen igen. Detta öppnar helt nya vägar för kvantsensorer för kvantberäkning och kvantkommunikation."