Ultra-empfindlicher Graphen-Mikrowellen-Photon-Sensor

Ein Mikrowellen-Strahlungssensor mit 100.000-mal höherer Empfindlichkeit als aktuell verfügbare kommerzielle Sensoren wurde entwickelt. Der Bolometer wurde hergestellt, indem die riesige thermische Reaktion von Graphen auf Mikrowellenstrahlung ausgenutzt wurde. Der Mikrowellen-Bolometer ist in der Lage, ein einzelnes Mikrowellen-Photon – die kleinste Energiemenge in der Natur – zu detektieren.

Der Graphen-Bolometer-Sensor detektiert elektromagnetische Strahlung, indem er den Temperaturanstieg misst, wenn Photonen in den Sensor absorbiert werden. Graphen ist ein zweidimensionales, einatomiges Material. Das Forschungsteam erreichte eine hohe Bolometer-Empfindlichkeit, indem es Graphen in die Mikrowellenantenne integrierte.

Eine Schlüsselinnovation dieser Weiterentwicklung ist die Messung des Temperaturanstiegs durch einen supraleitenden Josephson-Kontakt, während eine hohe Mikrowellen-Strahlungskopplung in das Graphen über eine Antenne aufrechterhalten wird. Die Kopplungseffizienz ist essenziell für hochempfindliche Detektion. Ein Josephson-Kontakt ist ein quantenmechanisches Bauelement aus zwei supraleitenden Elektroden, die durch eine Barriere (dünne isolierende Tunnelbarriere, Normalmetall, Halbleiter, Ferromagnet etc.) getrennt sind.

Zusätzlich zur Dünnheit befinden sich die Elektronen in Graphen auch in einer sehr speziellen Bandstruktur, in der Valenz- und Leitungsband sich nur an einem Punkt treffen, dem sogenannten Dirac-Punkt. Die Zustandsdichte verschwindet dort; 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, die Leistung von Systemen zur Detektion elektromagnetischer Signale wie Radar, Nachtsicht, LiDAR (Light Detection and Ranging) und Kommunikation zu verbessern. Sie könnte auch neue Anwendungen ermöglichen wie Quanteninformationswissenschaft, thermische Bildgebung und die Suche nach Dunkler Materie.