Sensor de Fotones de Microondas de Grafeno Ultra-Sensible

Se ha desarrollado un sensor de radiación de microondas con 100,000 veces mayor sensibilidad que los sensores comerciales disponibles actualmente. El bolómetro fue fabricado aprovechando la respuesta térmica gigante del grafeno a la radiación de microondas. El bolómetro de microondas es capaz de detectar un solo fotón de microondas —la cantidad más pequeña de energía en la naturaleza.

El sensor bolométrico de grafeno detecta radiación electromagnética midiendo el aumento de temperatura a medida que los fotones son absorbidos en el sensor. El grafeno es un material bidimensional, de una capa atómica de espesor. El equipo de investigación logró una alta sensibilidad del bolómetro incorporando grafeno en la antena de microondas.

Una innovación clave en este avance es medir el aumento de temperatura mediante una unión de Josephson superconductor mientras se mantiene un alto acoplamiento de radiación de microondas en el grafeno a través de una antena. La eficiencia de acoplamiento es esencial en la detección de alta sensibilidad. Una unión de Josephson es un dispositivo cuántico mecánico hecho de dos electrodos superconectores separados por una barrera (barrera de túnel aislante delgada, metal normal, semiconductor, ferromagneto, etc.).

Además de ser delgado, los electrones en el grafeno también están en una estructura de banda muy especial en la que las bandas de valencia y conducción se encuentran en solo un punto conocido como punto de Dirac. La densidad de estados se anula allí; cuando los electrones reciben la energía del fotón, el aumento de temperatura es alto mientras la fuga de calor es pequeña.

Con la mayor sensibilidad de los detectores bolométricos, esta investigación ha encontrado una nueva vía para mejorar el rendimiento de sistemas que detectan señales electromagnéticas como radar, visión nocturna, LiDAR (Detección y Medición de Luz), y comunicaciones. También podría permitir nuevas aplicaciones como ciencia de información cuántica, imágenes térmicas y la búsqueda de materia oscura.