Científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), trabajar con colegas de EE. UU. y Alemania, han desarrollado un nuevo detector óptico de grafeno que reacciona muy rápidamente a la luz incidente de diferentes longitudes de onda e incluso funciona a temperatura ambiente. Es la primera vez que un solo detector ha podido monitorear el rango espectral desde la luz visible hasta la radiación infrarroja y hasta la radiación de terahercios. Los científicos de HZDR ya están utilizando el nuevo detector de grafeno para la sincronización exacta de los sistemas láser.

Una pequeña escama de grafeno sobre carburo de silicio y una antena de aspecto futurista, y ahí está:el nuevo detector de grafeno. Como ningún otro sistema de detector único que haya existido antes, esta construcción comparativamente simple y económica puede cubrir el enorme rango espectral desde la luz visible hasta la radiación de terahercios. "A diferencia de otros semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio, el grafeno puede captar luz con una gama muy amplia de energías fotónicas y convertirla en señales eléctricas. Solo necesitábamos una antena de banda ancha y el sustrato adecuado para crear las condiciones ideales, "explicó el Dr. Stephan Winnerl, físico del Instituto de Investigación de Materiales y Física de Rayos de Iones del HZDR.

En 2013 Martin Mittendorff, que era estudiante de doctorado en el HZDR en ese momento, había desarrollado el precursor del detector de grafeno. En su puesto actual como postdoctorado en la Universidad de Maryland, ahora lo ha perfeccionado con sus colegas de Dresde y con científicos de Marburg, Ratisbona y Darmstadt. Cómo funciona:el conjunto de antena y escamas de grafeno absorbe los rayos, transfiriendo así la energía de los fotones a los electrones en el grafeno. Estos "electrones calientes" aumentan la resistencia eléctrica del detector y generan señales eléctricas rápidas. El detector puede registrar la luz incidente en solo 40 picosegundos, que son mil millonésimas de segundo.

Amplio rango espectral logrado a través del sustrato de carburo de silicio

La elección del sustrato ahora ha demostrado ser un paso fundamental para mejorar la pequeña trampa de luz. "Los sustratos semiconductores utilizados en el pasado siempre han absorbido algunas longitudes de onda, pero el carburo de silicio permanece pasivo en el rango espectral, ", explicó Stephan Winnerl. Luego también hay una antena que actúa como un embudo y captura radiación infrarroja de onda larga y terahercios. Por lo tanto, los científicos han podido aumentar el rango espectral en un factor de 90 en comparación con el modelo anterior, haciendo que la longitud de onda más corta detectable sea 1000 veces más pequeña que la más larga. A modo de comparación, luz roja, que tiene la longitud de onda más larga visible para el ojo humano, es sólo el doble de largo que la luz violeta, que tiene la longitud de onda más corta del espectro visible.

Este detector óptico universal ya se está utilizando en el HZDR para la sincronización exacta de los dos láseres de electrones libres en el Centro ELBE para fuentes de radiación de alta potencia con otros láseres. Esta alineación es particularmente importante para los experimentos de "sonda de bomba", como se les llama, donde el investigador toma un láser para la excitación de un material ("bomba") y luego usa un segundo láser con una longitud de onda diferente para la medición ("sonda"). Los pulsos de láser deben estar sincronizados exactamente para tales experimentos. Entonces, los científicos están usando el detector de grafeno como un cronómetro. Les dice cuándo los pulsos láser alcanzan su objetivo, y el gran ancho de banda ayuda a evitar que un cambio de detector sea una fuente potencial de error. Otra ventaja es que todas las mediciones pueden realizarse a temperatura ambiente, obviando la necesidad de los costosos y lentos procesos de enfriamiento de nitrógeno o helio con otros detectores.