(Phys.org) - Investigadores del Centro de Nanofísica y Materiales Avanzados de la Universidad de Maryland han desarrollado un nuevo tipo de bolómetro de electrones calientes, un detector sensible de luz infrarroja, que se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, desde la detección de armas químicas y bioquímicas a distancia y su uso en tecnologías de imágenes de seguridad, como escáneres corporales de aeropuertos, al análisis químico en el laboratorio y al estudio de la estructura del universo a través de telescopios mejorados.

Los investigadores de la UMD, dirigido por el investigador asociado Jun Yan y los profesores Michael Fuhrer y Dennis Drew, desarrolló el bolómetro utilizando grafeno bicapa, dos láminas de carbono de espesor atómico. Debido a las propiedades únicas del grafeno, Se espera que el bolómetro sea sensible a una gama muy amplia de energías luminosas. que van desde frecuencias de terahercios u ondas submilimétricas a través del infrarrojo hasta la luz visible.

El bolómetro de electrones calientes de grafeno es particularmente prometedor como un sensible, y detector de bajo ruido de ondas submilimétricas, que son particularmente difíciles de detectar. Debido a que estos fotones son emitidos por moléculas interestelares relativamente frías, La astronomía submilimétrica estudia las primeras etapas de formación de estrellas y galaxias mediante la observación de estas nubes interestelares de moléculas. Se están buscando detectores sensibles de ondas submilimétricas para nuevos observatorios que determinarán los desplazamientos al rojo y las masas de galaxias jóvenes muy distantes y permitirán estudios de la energía oscura y el desarrollo de la estructura en el universo.

Los hallazgos del equipo de Maryland se publican en la edición del 3 de junio de Nanotecnología de la naturaleza .

La mayoría de los detectores de fotones se basan en semiconductores. Los semiconductores son materiales que tienen un rango de energías que sus electrones tienen prohibido ocupar, llamado banda prohibida. Los electrones en un semiconductor pueden absorber fotones de luz que tienen energías mayores que la energía de la banda prohibida, y esta propiedad forma la base de dispositivos como las células fotovoltaicas.

Grafeno un plano de grafito de un solo átomo de espesor, es único porque tiene una banda prohibida de energía exactamente cero; Por tanto, el grafeno puede absorber fotones de cualquier energía. Esta propiedad hace que el grafeno sea particularmente atractivo para absorber fotones de muy baja energía (terahercios e infrarrojos) que atraviesan la mayoría de los semiconductores. El grafeno tiene otra propiedad atractiva como absorbente de fotones:los electrones que absorben la energía son capaces de retenerla de manera eficiente. en lugar de perder energía por las vibraciones de los átomos del material. Esta misma propiedad también conduce a una resistencia eléctrica extremadamente baja en el grafeno.

Los investigadores de la Universidad de Maryland explotaron estas dos propiedades para diseñar el bolómetro de electrones calientes. Funciona midiendo el cambio en la resistencia que resulta del calentamiento de los electrones a medida que absorben la luz.

Normalmente, la resistencia del grafeno es casi independiente de la temperatura, inadecuado para un bolómetro. Entonces, los investigadores de Maryland usaron un truco especial:cuando el grafeno bicapa se expone a un campo eléctrico, tiene una pequeña banda prohibida, lo suficientemente grande como para que su resistencia se vuelva fuertemente dependiente de la temperatura, pero lo suficientemente pequeño como para mantener su capacidad de absorber fotones infrarrojos de baja energía.

Los investigadores encontraron que su bolómetro de electrones calientes de grafeno bicapa que funciona a una temperatura de 5 Kelvin tenía una sensibilidad comparable a los bolómetros existentes que funcionan a temperaturas similares. pero fue más de mil veces más rápido. Extrapolaron el rendimiento del bolómetro de grafeno a una temperatura más baja y descubrieron que puede superar a todas las tecnologías existentes.

Aún quedan algunos desafíos. El bolómetro de grafeno bicapa tiene una mayor resistencia eléctrica que los dispositivos similares que utilizan otros materiales, lo que puede dificultar su uso a altas frecuencias. Adicionalmente, El grafeno bicapa absorbe solo un pequeño porcentaje de la luz incidente. Pero los investigadores de Maryland están trabajando en formas de sortear estas dificultades con nuevos diseños de dispositivos, y confían en que un grafeno tiene un futuro brillante como material de fotodetección.