Ультрачувствительный графеновый микроволновый фотонный сенсор

Разработан датчик микроволнового излучения с чувствительностью в 100 000 раз выше, чем у существующих коммерческих датчиков. Болотметр был изготовлен за счёт использования гигантского термического отклика графена на микроволновое излучение. Микроволновый болометр способен обнаруживать одиночный микроволновый фотон — наименьшее количество энергии в природе.

Графеновый болометрический сенсор обнаруживает электромагнитное излучение, измеряя повышение температуры при поглощении фотонов сенсором. Графен — двухмерный, одноатомный слой материала. Исследовательская команда достигла высокой чувствительности болометра, включив графен в микроволновую антенну.

Ключевая инновация в этом прогрессе — измерение повышения температуры сверхпроводящим Джозефсоновским переходом, сохраняя при этом высокую связь микроволнового излучения с графеном через антенну. Эффективность связи существенна для высокочувствительного обнаружения. Джозефсоновский переход — это квантомеханическое устройство, состоящее из двух сверхпроводящих электродов, разделённых барьером (тонким изолирующим туннельным барьером, нормальным металлом, полупроводником, ферромагнитным материалом и т.д.).

Помимо тонкости, электроны в графене также находятся в очень специальной зонной структуре, в которой валентная и проводимая зоны встречаются только в одной точке, известной как точка Дирака. Плотность состояний там исчезает; когда электроны получают энергию фотона, повышение температуры высокое, а теплая утечка малая.

С повышенной чувствительностью болометрических детекторов, это исследование нашло новый путь для улучшения производительности систем обнаружения электромагнитных сигналов, таких как радар, ночное видение, LiDAR (оптическое определение расстояния) и связь. Это также может открыть новые приложения, такие как квантовая информационная наука, тепловая визуализация и поиск тёмной материи.