Hochempfindlicher Mikrowellenstrahlungssensor

Es wurde ein Mikrowellenstrahlungssensor mit 100.000-mal höherer Empfindlichkeit als derzeit verfügbare kommerzielle Sensoren entwickelt. Das Bolometer wurde hergestellt, indem die enorme thermische Reaktion von Graphen auf Mikrowellenstrahlung ausgenutzt wurde. Das Mikrowellen-Bolometer ist in der Lage, ein einzelnes Mikrowellenphoton zu erkennen – die kleinste Energiemenge in der Natur.

Der Graphen-Bolometersensor erkennt elektromagnetische Strahlung, indem er den Temperaturanstieg misst, wenn die Photonen vom Sensor absorbiert werden. Graphen ist ein zweidimensionales Material mit einer Dicke von einer Atomlage. Das Forschungsteam erreichte eine hohe Empfindlichkeit des Bolometers, indem es Graphen in die Mikrowellenantenne einbaute.

Eine Schlüsselinnovation bei diesem Fortschritt ist die Messung des Temperaturanstiegs durch einen supraleitenden Josephson-Kontakt, während eine hohe Mikrowellenstrahlungskopplung in das Graphen durch eine Antenne aufrechterhalten wird. Die Kopplungseffizienz ist bei der hochempfindlichen Detektion wesentlich. Ein Josephson-Kontakt ist ein quantenmechanisches Gerät, das aus zwei supraleitenden Elektroden besteht, die durch eine Barriere (dünne isolierende Tunnelbarriere, normales Metall, Halbleiter, Ferromagnet usw.) getrennt sind.

Die Elektronen in Graphen sind nicht nur dünn, sondern haben auch eine ganz besondere Bandstruktur, in der sich Valenz- und Leitungsband nur an einem Punkt treffen, der als Dirac-Punkt bekannt ist. Dort verschwindet die Staatendichte; Wenn die Elektronen die Photonenenergie erhalten, ist der Temperaturanstieg hoch, während der Wärmeverlust gering ist.

Mit der erhöhten Empfindlichkeit von Bolometer-Detektoren hat diese Forschung einen neuen Weg gefunden, um die Leistung von Systemen zu verbessern, die elektromagnetische Signale wie Radar, Nachtsicht, LiDAR (Light Detection and Ranging) und Kommunikation erkennen. Es könnte auch neue Anwendungen wie Quanteninformationswissenschaft, Wärmebildgebung und die Suche nach dunkler Materie ermöglichen.