Os bolómetros, dispositivos que monitorizam a radiação electromagnética através do aquecimento de um material absorvente, são utilizados pelos astrónomos e proprietários de casas. Mas a maioria desses dispositivos tem largura de banda limitada e deve ser operada em temperaturas ultrabaixas.Agora, os pesquisadores dizem que encontraram uma alternativa ultrarrápida e altamente sensível que pode funcionar à temperatura ambiente - e pode ser muito menos dispendiosa.
As descobertas, publicadas hoje na revista Nature Nanotechnology, podem ajudar a abrir caminho para novos observatórios astronômicos para emissões de longos comprimentos de onda, novos sensores de calor para edifícios e até mesmo novos tipos de sensoriamento quântico e dispositivos de processamento de informações. diz. O grupo inclui o pós-doutorado do MIT, Dmitri Efetov, o professor Dirk Englund, do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT, Kin Chung Fong, da Raytheon BBN Technologies, e colegas do MIT e da Columbia University.
“Acreditamos que nosso trabalho abre a porta para novos tipos de bolômetros eficientes baseados em materiais de baixa dimensão”, diz Englund, autor sênior do estudo. Ele diz que o novo sistema, baseado no aquecimento de elétrons em um pequeno pedaço de uma forma bidimensional de carbono chamado grafeno, combina pela primeira vez alta sensibilidade e alta largura de banda - ordens de grandeza maiores que as dos bolômetros convencionais - um único dispositivo.
"O novo dispositivo é muito sensível e, ao mesmo tempo, ultrarrápido", tendo o potencial de fazer leituras em apenas picossegundos (trilionésimos de segundo), diz Efetov, agora professor da ICFO, o Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona, na Espanha. , quem é o principal autor do artigo."Essa combinação de propriedades é única", diz ele.
O novo sistema também pode operar a qualquer temperatura, diz ele, ao contrário dos dispositivos atuais que precisam ser resfriados a temperaturas extremamente baixas. Embora a maioria das aplicações reais do dispositivo ainda seja feita sob essas condições ultracoldas, para algumas aplicações, como sensores térmicos para eficiência de construção, a capacidade de operar sem sistemas de refrigeração especializados pode ser uma vantagem real. "Este é o primeiro dispositivo deste tipo que não tem limite de temperatura", diz Efetov.
O novo bolômetro que eles construíram, e demonstraram sob condições de laboratório, pode medir a energia total transportada pelos fótons da radiação eletromagnética entrante, seja essa radiação na forma de luz visível, ondas de rádio, microondas ou outras partes do espectro. Essa radiação pode estar vindo de galáxias distantes, ou das ondas infravermelhas de calor que escapam de uma casa mal isolada.
O dispositivo é totalmente diferente dos bolômetros tradicionais, que normalmente usam um metal para absorver a radiação e medir o aumento de temperatura resultante. Em vez disso, esta equipe desenvolveu um novo tipo de bolômetro que se baseia em elétrons de aquecimento que se deslocam em um pequeno pedaço de grafeno, em vez de aquecer um metal sólido. O grafeno é acoplado a um dispositivo chamado de nanocavidade fotônica, que serve para amplificar a absorção da radiação, explica Englund.
“A maioria dos bolômetros se baseia nas vibrações dos átomos em um pedaço de material, o que tende a retardar a resposta”, diz ele. Neste caso, porém, “ao contrário de um bolômetro tradicional, o corpo aquecido aqui é simplesmente o gás de elétrons, que tem uma capacidade de calor muito baixa, significando que mesmo uma pequena entrada de energia devido a fótons absorvidos causa um grande balanço de temperatura” mais fácil de fazer medições precisas dessa energia. Embora os bolômetros de grafeno tenham sido previamente demonstrados, este trabalho resolve alguns dos importantes desafios pendentes, incluindo a absorção eficiente no grafeno usando uma nanocavidade, e a leitura da temperatura de impedância correspondente.
A nova tecnologia, diz Englund, “abre uma nova janela para bolômetros com funcionalidades inteiramente novas que podem melhorar radicalmente imagens térmicas, astronomia observacional, informações quânticas e sensorias quânticas, entre outras aplicações”.
Para observações astronômicas, o novo sistema poderia ajudar preenchendo algumas das faixas de comprimento de onda restantes que ainda não tinham detectores práticos para fazer observações, como o "gap terahertz" de freqüências que são muito difíceis de serem captadas com os sistemas existentes. “Lá, nosso detector pode ser um sistema de última geração” para observar esses raios indescritíveis, diz Efetov. Poderia ser útil para observar a radiação de fundo cósmica de comprimento muito longo, diz ele.
Daniel Prober, professor de física aplicada na Universidade de Yale que não esteve envolvido nesta pesquisa, diz: “Este trabalho é um projeto muito bom para utilizar os muitos benefícios da camada metálica ultrafina, o grafeno, enquanto trabalha habilmente em torno das limitações que de outra forma, seria imposto por sua natureza condutora ”. Ele acrescenta:“ O detector resultante é extremamente sensível à detecção de energia em uma região desafiadora do espectro e está pronto para algumas aplicações interessantes ”.
E Robert Hadfield, professor de fotônica na Universidade de Glasgow, que também não esteve envolvido neste trabalho, diz: “Há uma enorme demanda por novas tecnologias de detecção de infravermelho de alta sensibilidade. Este trabalho de Efetov e colaboradores relatando um bolômetro de grafeno inovador integrado em uma cavidade de cristal fotônico para alcançar alta absorção é oportuno e estimulante. ”
Publicação: Dmitri K. Efetov, et al., “Rápido relaxamento térmico em bolômetros de grafeno acoplados a cavidades com uma leitura de ruído da Johnson”, Nature Nanotechnology (2018)
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