Scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), lavorando con colleghi degli Stati Uniti e della Germania, hanno sviluppato un nuovo rivelatore ottico in grafene che reagisce molto rapidamente alla luce incidente di tutte le diverse lunghezze d'onda e funziona anche a temperatura ambiente. È la prima volta che un singolo rivelatore è in grado di monitorare la gamma spettrale dalla luce visibile alla radiazione infrarossa e fino alla radiazione terahertz. Gli scienziati dell'HZDR stanno già utilizzando il nuovo rilevatore di grafene per l'esatta sincronizzazione dei sistemi laser.

Una minuscola scaglia di grafene su carburo di silicio e un'antenna dall'aspetto futuristico, ed eccolo qui:il nuovo rilevatore di grafene. Come nessun altro sistema di rilevamento singolo mai realizzato prima, questo costrutto relativamente semplice ed economico può coprire l'enorme gamma spettrale dalla luce visibile fino alla radiazione terahertz. "A differenza di altri semiconduttori come il silicio o l'arseniuro di gallio, il grafene può captare la luce con una gamma molto ampia di energie fotoniche e convertirla in segnali elettrici. Avevamo solo bisogno di un'antenna a banda larga e del substrato giusto per creare le condizioni ideali, " ha spiegato il dottor Stephan Winnerl, fisico presso l'Istituto di Fisica del Fascio Ionico e Ricerca sui Materiali presso l'HZDR.

Già nel 2013 Martin Mittendorff, che era uno studente di dottorato presso l'HZDR in quel momento, aveva sviluppato il precursore del rivelatore di grafene. Nella sua attuale posizione di postdoc presso l'Università del Maryland, ora lo ha perfezionato con i suoi colleghi di Dresda e con scienziati di Marburg, Ratisbona e Darmstadt. Come funziona:il fiocco di grafene e il gruppo antenna assorbe i raggi, trasferendo così l'energia dei fotoni agli elettroni nel grafene. Questi "elettroni caldi" aumentano la resistenza elettrica del rivelatore e generano segnali elettrici rapidi. Il rilevatore può registrare la luce incidente in soli 40 picosecondi:questi sono miliardesimi di secondo.

Ampia gamma spettrale ottenuta attraverso il substrato di carburo di silicio

La scelta del substrato si è ora rivelata un passo fondamentale nel miglioramento della piccola trappola luminosa. "I substrati semiconduttori utilizzati in passato hanno sempre assorbito alcune lunghezze d'onda ma il carburo di silicio rimane passivo nell'intervallo spettrale, "ha spiegato Stephan Winnerl. C'è poi anche un'antenna che agisce come un imbuto e cattura radiazioni infrarosse e terahertz a onde lunghe. Gli scienziati sono stati quindi in grado di aumentare la gamma spettrale di un fattore di 90 rispetto al modello precedente, rendendo la lunghezza d'onda rilevabile più corta 1000 volte più piccola della più lunga. A titolo di confronto, luce rossa, che ha la lunghezza d'onda più lunga visibile all'occhio umano, è solo il doppio della luce viola che ha la lunghezza d'onda più corta nello spettro visibile.

Questo rivelatore ottico universale è già utilizzato presso l'HZDR per l'esatta sincronizzazione dei due laser a elettroni liberi presso l'ELBE Center for High-Power Radiation Sources con altri laser. Questo allineamento è particolarmente importante per gli esperimenti "pump probe", come vengono chiamati, dove il ricercatore prende un laser per l'eccitazione di un materiale ("pompa") e quindi utilizza un secondo laser con una lunghezza d'onda diversa per la misurazione ("sonda"). Gli impulsi laser devono essere esattamente sincronizzati per tali esperimenti. Quindi gli scienziati stanno usando il rilevatore di grafene come un cronometro. Dice loro quando gli impulsi laser raggiungono il loro obiettivo, e l'ampia larghezza di banda aiuta a impedire che un cambio di rivelatore sia una potenziale fonte di errore. Un altro vantaggio è che tutte le misurazioni possono avvenire a temperatura ambiente, ovviando alla necessità dei costosi e lunghi processi di raffreddamento con azoto o elio con altri rivelatori.