Bolometri, dispositivi che monitorano la radiazione elettromagnetica attraverso il riscaldamento di un materiale assorbente, sono usati da astronomi e proprietari di case allo stesso modo. Ma la maggior parte di questi dispositivi ha una larghezza di banda limitata e deve essere utilizzata a temperature estremamente basse. Ora, i ricercatori affermano di aver trovato un'alternativa ultraveloce ma altamente sensibile che può funzionare a temperatura ambiente e potrebbe essere molto meno costosa.

Le scoperte, pubblicato oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura , potrebbe aiutare a spianare la strada a nuovi tipi di osservatori astronomici per le emissioni a lunga lunghezza d'onda, nuovi sensori di calore per edifici, e persino nuovi tipi di sensori quantistici e dispositivi di elaborazione delle informazioni, dice il gruppo di ricerca multidisciplinare. Il gruppo comprende il recente postdoc del MIT Dmitri Efetov, Professor Dirk Englund del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del MIT, Kin Chung Fong di Raytheon BBN Technologies, e colleghi del MIT e della Columbia University.

"Crediamo che il nostro lavoro apra le porte a nuovi tipi di bolometri efficienti basati su materiali a bassa dimensionalità, "dice Englund, l'autore senior del documento. Dice che il nuovo sistema, basato sul riscaldamento degli elettroni in un piccolo pezzo di una forma bidimensionale di carbonio chiamata grafene, per la prima volta combina sia l'elevata sensibilità che l'elevata larghezza di banda, ordini di grandezza maggiori di quelli dei bolometri convenzionali, in un unico dispositivo.

"Il nuovo dispositivo è molto sensibile, e allo stesso tempo ultraveloce, " avere la possibilità di effettuare letture in soli picosecondi (trilionesimi di secondo), dice Efetov, ora professore all'ICFO, l'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona, Spagna, chi è l'autore principale del giornale. "Questa combinazione di proprietà è unica, " lui dice.

Il nuovo sistema inoltre può funzionare a qualsiasi temperatura, lui dice, a differenza degli attuali dispositivi che devono essere raffreddati a temperature estremamente basse. Sebbene la maggior parte delle applicazioni effettive del dispositivo verrebbe comunque eseguita in queste condizioni ultrafredde, per alcune applicazioni, come sensori termici per l'efficienza degli edifici, la capacità di operare senza sistemi di raffreddamento specializzati potrebbe essere un vero vantaggio. "Questo è il primo dispositivo di questo tipo che non ha limiti di temperatura, "dice Efetov.

Il nuovo bolometro che hanno costruito, e dimostrato in condizioni di laboratorio, può misurare l'energia totale trasportata dai fotoni della radiazione elettromagnetica in entrata, se tale radiazione è sotto forma di luce visibile, onde radio, microonde, o altre parti dello spettro. Quella radiazione potrebbe provenire da galassie lontane, o dalle onde infrarosse di calore che fuoriescono da una casa mal isolata.

Il dispositivo è completamente diverso dai bolometri tradizionali, che tipicamente utilizzano un metallo per assorbire la radiazione e misurare l'aumento di temperatura risultante. Anziché, questo team ha sviluppato un nuovo tipo di bolometro che si basa sul riscaldamento degli elettroni che si muovono in un piccolo pezzo di grafene, piuttosto che riscaldare un metallo solido. Il grafene è accoppiato a un dispositivo chiamato nanocavità fotonica, che serve ad amplificare l'assorbimento della radiazione, spiega Englund.

"La maggior parte dei bolometri si basa sulle vibrazioni degli atomi in un pezzo di materiale, che tende a rallentare la loro risposta, " dice. In questo caso, anche se, "a differenza di un bolometro tradizionale, il corpo riscaldato qui è semplicemente il gas di elettroni, che ha una capacità termica molto bassa, il che significa che anche un piccolo apporto di energia dovuto ai fotoni assorbiti provoca un grande sbalzo di temperatura, " rendendo più facile effettuare misurazioni precise di tale energia. Sebbene i bolometri al grafene fossero stati precedentemente dimostrati, questo lavoro risolve alcune delle importanti sfide in sospeso, compreso l'assorbimento efficiente nel grafene utilizzando una nanocavità, e la lettura della temperatura adattata all'impedenza.

La nuova tecnologia, Englund dice, "apre una nuova finestra per i bolometri con funzionalità completamente nuove che potrebbero migliorare radicalmente l'imaging termico, astronomia osservativa, informazioni quantistiche, e il rilevamento quantistico, tra le altre applicazioni."

Per le osservazioni astronomiche, il nuovo sistema potrebbe aiutare riempiendo alcune delle restanti bande di lunghezze d'onda che non hanno ancora avuto rivelatori pratici per fare osservazioni, come il "terahertz gap" di frequenze molto difficili da captare con i sistemi esistenti. "Là, il nostro rivelatore potrebbe essere un sistema all'avanguardia" per osservare questi raggi sfuggenti, dice Efetov. Potrebbe essere utile per osservare la radiazione cosmica di fondo a lunghissima lunghezza d'onda, lui dice.