I bolometri sono dispositivi che misurano la potenza della radiazione elettromagnetica incidente attraverso il riscaldamento dei materiali, che mostrano una dipendenza dalla temperatura-resistenza elettrica. Questi strumenti sono tra i rilevatori più sensibili finora utilizzati per il rilevamento delle radiazioni infrarosse e sono strumenti chiave per applicazioni che vanno dalla termografia avanzata, visione notturna, spettroscopia infrarossa all'astronomia osservativa, per dirne alcuni.

Anche se hanno dimostrato di essere eccellenti sensori per questa specifica gamma di radiazioni, la sfida sta nel raggiungere un'elevata sensibilità, tempo di risposta veloce e forte assorbimento della luce, che non sempre si realizzano tutti insieme. Sono stati condotti molti studi per ottenere questi bolometri a maggiore sensibilità cercando di ridurre le dimensioni del rivelatore e quindi aumentare la risposta termica, e così facendo, hanno scoperto che il grafene sembra essere un ottimo candidato per questo.

Se ci concentriamo sulla gamma a infrarossi, diversi esperimenti hanno dimostrato che se prendi un foglio di grafene e lo metti tra due strati di materiale superconduttore per creare una giunzione Josephson, è possibile ottenere un singolo dispositivo rivelatore di fotoni. A basse temperature, e in assenza di fotoni, una corrente superconduttiva scorre attraverso il dispositivo. Quando un singolo fotone infrarosso passa attraverso il rivelatore, il calore che genera è sufficiente per riscaldare il grafene, che altera la giunzione Josephson in modo tale che nessuna corrente superconduttiva possa fluire. Quindi puoi effettivamente rilevare i fotoni che passano attraverso il dispositivo misurando la corrente. Questo può essere fatto fondamentalmente perché il grafene ha una capacità termica elettronica quasi trascurabile. Ciò significa che, contrariamente ai materiali che trattengono il calore come l'acqua, nel caso del grafene un singolo fotone a bassa energia può riscaldare il rivelatore abbastanza da bloccare la corrente superconduttiva, e poi disperdersi velocemente, consentendo al rilevatore di ripristinarsi rapidamente, e ottenendo così risposte in tempi molto rapidi e sensibilità elevate.

Cercando di fare un passo avanti e passare a lunghezze d'onda più alte, in un recente studio pubblicato su Natura , un team di scienziati che include il ricercatore ICFO Dmitri Efetov, insieme ai colleghi dell'Università di Harvard, Tecnologie Raytheon BBN, MIT, e l'Istituto Nazionale per le Scienze dei Materiali, è stata in grado di sviluppare un bolometro a base di grafene in grado di rilevare fotoni a microonde a sensibilità estremamente elevate e con risposte rapide.

Proprio come con la gamma a infrarossi, il team ha preso un foglio di grafene e lo ha posizionato tra due strati di materiale superconduttore per creare una giunzione Josephson. Questa volta, hanno preso una strada completamente nuova e hanno collegato un risonatore a microonde per generare i fotoni a microonde e facendo passare questi fotoni attraverso il dispositivo, sono stati in grado di raggiungere livelli di rilevamento senza precedenti. In particolare, sono stati in grado di rilevare singoli fotoni con una risoluzione energetica molto più bassa, equivalente a quello di un singolo fotone a 32 Ghz, e ottenere letture di rilevamento 100.000 volte più veloci dei bolometri a nanofili più veloci costruiti finora.

I risultati ottenuti in questo studio rappresentano un importante passo avanti nel campo dei bolometri. Non solo il grafene si è dimostrato un materiale ideale per il rilevamento e l'imaging a infrarossi, ma ha anche dimostrato di estendersi a lunghezze d'onda più elevate, raggiungere il microonde, dove ha anche dimostrato di raggiungere sensibilità estremamente elevate e tempi di lettura ultrarapidi.

Come commenta il Prof. all'ICFO Dmitri Efetov "tali risultati erano ritenuti impossibili con i materiali tradizionali, e il grafene ha fatto di nuovo il trucco. Questo apre strade completamente nuove per i sensori quantistici per il calcolo quantistico e la comunicazione quantistica".