Un sensor con una sensibilidad 100.000 veces mayor para imágenes térmicas

Una investigación financiada por el Ejército estadounidense permitió desarrollar un nuevo sensor de radiación de microondas con una sensibilidad 100.000 veces mayor que los sensores comerciales disponibles actualmente. Los investigadores dijeron que una mejor detección de la radiación de microondas permitirá mejorar las imágenes térmicas, la guerra electrónica, las comunicaciones por radio y el radar.

Los investigadores publicaron su estudio en la revista Nature. El equipo incluye científicos de la Universidad de Harvard, el Instituto de Ciencias Fotónicas, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang y Raytheon BBN Technologies. El Ejército, en parte, financió el trabajo para fabricar este bolómetro explotando la gigantesca respuesta térmica del grafeno ante la radiación de microondas.

"El bolómetro de microondas desarrollado en el marco de este proyecto es tan sensible que es capaz de detectar un solo fotón de microondas, que es la menor cantidad de energía en la naturaleza", dijo el Dr. Joe Qiu, director del programa de electrónica y electromagnetismo de estado sólido de la Oficina de Investigación del Ejército. "Esta tecnología permitirá potencialmente nuevas capacidades para aplicaciones como la detección cuántica y el radar".

El sensor del bolómetro de grafeno detecta la radiación electromagnética midiendo el aumento de la temperatura a medida que los fotones son absorbidos por el sensor. El grafeno es un material bidimensional, de una capa de un átomo de espesor. Los investigadores lograron una alta sensibilidad del bolómetro incorporando grafeno en la antena de microondas.

Un bolómetro detecta la radiación electromagnética midiendo el aumento de la temperatura a medida que los fotones son absorbidos por el sensor. El equipo de investigación fabrica este bolómetro explotando la gigantesca respuesta térmica del grafeno a la radiación de microondas. (Foto: Raytheon BBN Technologies)

Una innovación clave en este avance es medir el aumento de la temperatura por medio de una unión superconductora Josephson mientras se mantiene un alto acoplamiento de radiación de microondas en el grafeno a través de una antena, dijeron los investigadores. La eficiencia del acoplamiento es esencial en una detección de alta sensibilidad porque "cada fotón precioso cuenta".

Una unión Josephson es un dispositivo mecánico cuántico que está hecho de dos electrodos superconductores separados por una barrera (barrera delgada de túnel aislante, metal normal, semiconductor, ferroimán, etc.)

Además de ser delgado, los electrones en el grafeno también están en una estructura de bandas muy especial en la que las bandas de valencia y conducción se encuentran en un solo punto, conocido como punto de Dirac.

"La densidad de los estados se desvanece allí, de modo que cuando los electrones reciben la energía de los fotones, el aumento de la temperatura es alto mientras que la fuga de calor es pequeña", dijo el Dr. Kin Chung Fong, Raytheon BBN Technologies.

Con el aumento de la sensibilidad de los bolómetros detectores, esta investigación ha encontrado una nueva vía para mejorar el rendimiento de los sistemas de detección de señales electromagnéticas como el radar, la visión nocturna, LIDAR (Light Detection and Ranging), y la comunicación. También podría permitir nuevas aplicaciones, como la ciencia de la información cuántica, las imágenes térmicas, así como la búsqueda de materia oscura.  (Fuente: NCYT Amazings)