Высокочувствительный датчик микроволнового излучения

Разработан датчик микроволнового излучения, чувствительность которого в 100 000 раз выше, чем у имеющихся в настоящее время коммерческих датчиков. Болометр был изготовлен с использованием гигантского теплового отклика графена на микроволновое излучение. Микроволновый болометр способен обнаруживать один микроволновый фотон — наименьшее количество энергии в природе.

Датчик графенового болометра обнаруживает электромагнитное излучение, измеряя повышение температуры по мере того, как фотоны поглощаются датчиком. Графен представляет собой двумерный материал толщиной в один атомный слой. Исследовательская группа добилась высокой чувствительности болометра, включив графен в микроволновую антенну.

Ключевым нововведением в этом развитии является измерение повышения температуры за счет сверхпроводящего джозефсоновского перехода при сохранении высокой связи микроволнового излучения с графеном через антенну. Эффективность связи важна для высокочувствительного обнаружения. Переход Джозефсона — это квантово-механическое устройство, состоящее из двух сверхпроводящих электродов, разделенных барьером (тонкий изолирующий туннельный барьер, обычный металл, полупроводник, ферромагнетик и т. д.).

Помимо того, что они тонкие, электроны в графене также имеют особую зонную структуру, в которой валентная зона и зона проводимости встречаются только в одной точке, известной как точка Дирака. Плотность состояний там обращается в нуль; когда электроны получают энергию фотонов, повышение температуры велико, а утечка тепла мала.

Благодаря повышенной чувствительности болометрических детекторов это исследование позволило найти новый путь для повышения производительности систем обнаружения электромагнитных сигналов, таких как радар, ночное видение, LiDAR (обнаружение света и определение дальности) и связь. Это также может открыть новые приложения, такие как квантовая информатика, тепловидение и поиск темной материи.