Bolómetros, dispositivos que controlan la radiación electromagnética mediante el calentamiento de un material absorbente, son utilizados por astrónomos y propietarios de viviendas por igual. Pero la mayoría de estos dispositivos tienen un ancho de banda limitado y deben funcionar a temperaturas ultrabajas. Ahora, Los investigadores dicen que han encontrado una alternativa ultrarrápida pero altamente sensible que puede funcionar a temperatura ambiente y puede ser mucho menos costosa.

Los resultados, publicado hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza , podría ayudar a allanar el camino hacia nuevos tipos de observatorios astronómicos para emisiones de longitud de onda larga, nuevos sensores de calor para edificios, e incluso nuevos tipos de dispositivos de procesamiento de información y detección cuántica, dice el equipo de investigación multidisciplinario. El grupo incluye al postdoctorado reciente del MIT Dmitri Efetov, El profesor Dirk Englund del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT, Kin Chung Fong de Raytheon BBN Technologies, y colegas del MIT y la Universidad de Columbia.

"Creemos que nuestro trabajo abre la puerta a nuevos tipos de bolómetros eficientes basados ​​en materiales de bajas dimensiones, "dice Englund, el autor principal del artículo. Dice el nuevo sistema, basado en el calentamiento de electrones en una pequeña pieza de una forma bidimensional de carbono llamada grafeno, por primera vez combina alta sensibilidad y gran ancho de banda, órdenes de magnitud mayor que el de los bolómetros convencionales, en un solo dispositivo.

"El nuevo dispositivo es muy sensible, y al mismo tiempo ultrarrápido, "tener el potencial de tomar lecturas en solo picosegundos (billonésimas de segundo), dice Efetov, ahora profesor en ICFO, el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, España, quién es el autor principal del artículo. "Esta combinación de propiedades es única, " él dice.

El nuevo sistema también puede funcionar a cualquier temperatura, él dice, a diferencia de los dispositivos actuales que deben enfriarse a temperaturas extremadamente bajas. Aunque la mayoría de las aplicaciones reales del dispositivo aún se realizarían en estas condiciones ultrafrías, para algunas aplicaciones, como sensores térmicos para la eficiencia del edificio, la capacidad de operar sin sistemas de enfriamiento especializados podría ser una ventaja real. "Este es el primer dispositivo de este tipo que no tiene límite de temperatura, "Dice Efetov.

El nuevo bolómetro que construyeron, y demostrado en condiciones de laboratorio, puede medir la energía total transportada por los fotones de la radiación electromagnética entrante, si esa radiación es en forma de luz visible, ondas de radio, microondas u otras partes del espectro. Esa radiación puede provenir de galaxias distantes, o de las ondas de calor infrarrojas que se escapan de una casa mal aislada.

El dispositivo es completamente diferente de los bolómetros tradicionales, que normalmente utilizan un metal para absorber la radiación y medir el aumento de temperatura resultante. En lugar de, este equipo desarrolló un nuevo tipo de bolómetro que se basa en calentar electrones que se mueven en una pequeña pieza de grafeno, en lugar de calentar un metal sólido. El grafeno está acoplado a un dispositivo llamado nanocavidad fotónica, que sirve para amplificar la absorción de la radiación, Englund explica.

"La mayoría de los bolómetros se basan en las vibraciones de los átomos en una pieza de material, que tiende a hacer que su respuesta sea lenta, ", dice. En este caso, aunque, "a diferencia de un bolómetro tradicional, el cuerpo calentado aquí es simplemente el gas de electrones, que tiene una capacidad calorífica muy baja, lo que significa que incluso una pequeña entrada de energía debido a los fotones absorbidos provoca un gran cambio de temperatura, "lo que facilita la realización de mediciones precisas de esa energía. Aunque los bolómetros de grafeno ya se habían demostrado anteriormente, este trabajo resuelve algunos de los importantes desafíos pendientes, incluida la absorción eficiente en el grafeno mediante una nanocavidad, y la lectura de temperatura adaptada a la impedancia.

La nueva tecnología, Englund dice:"abre una nueva ventana para los bolómetros con funcionalidades completamente nuevas que podrían mejorar radicalmente las imágenes térmicas, astronomía observacional, información cuántica, y detección cuántica, entre otras aplicaciones ".

Para observaciones astronómicas, el nuevo sistema podría ayudar al completar algunas de las bandas de longitud de onda restantes que aún no han tenido detectores prácticos para realizar observaciones, como la "brecha de terahercios" de frecuencias que son muy difíciles de captar con los sistemas existentes. "Allí, nuestro detector podría ser un sistema de última generación "para observar estos elusivos rayos, Dice Efetov. Podría ser útil para observar la radiación de fondo cósmica de longitud de onda muy larga, él dice.