Un equipo de investigadores ha desarrollado un dispositivo que utiliza el material grafeno para detectar la luz del infrarrojo medio y convertirla de manera eficiente en una señal eléctrica a temperatura ambiente. Es un gran avance que podría conducir a mejores sistemas de comunicaciones, cámaras termográficas y otras tecnologías.

Publicado en Materiales de la naturaleza , el estudio es una colaboración entre los laboratorios de Fengnian Xia, Barton L. Weller Profesor Asociado en Ingeniería y Ciencia y F. Javier García de Abajo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), España.

La radiación del infrarrojo medio de 8 a 14 micrómetros es extremadamente útil en la obtención de imágenes térmicas y para revelar información espectroscópica molecular específica. Además, tal radiación puede propagarse en el aire sin pérdidas significativas, lo que indica su tremendo potencial en las comunicaciones en el espacio libre y la teledetección. Sin embargo, Los detectores infrarrojos infrarrojos medios a temperatura ambiente convencionales suelen ser muy lentos debido a la gran capacidad térmica. lo que lleva a una constante de tiempo prolongada para la disipación de calor.

El dispositivo demostrado en este estudio aprovecha las propiedades únicas de la alta conductividad, grafeno atómicamente delgado, que es una sola capa de átomos de carbono, y su plasmón, un cuanto de sus oscilaciones electrónicas colectivas.

"El grafeno es un tipo de material que puede convertir la luz del infrarrojo medio en plasmones y, posteriormente, los plasmones se pueden convertir en calor, "dijo Qiushi Guo, un doctorado estudiante en el laboratorio de Xia y primer autor del estudio. "Lo que es verdaderamente único sobre el grafeno es que el aumento de temperatura de los electrones causado por la desintegración del plasmón es mucho mayor que el de otros materiales".

La resistencia del grafeno es muy insensible a la temperatura a temperatura ambiente, como resultado, es difícil detectar eléctricamente la luz del infrarrojo medio, excepto a temperaturas extremadamente frías, lo que significa que no se puede integrar en dispositivos utilizables. Con ese fin, En este trabajo, los investigadores desarrollaron un nuevo dispositivo que cuenta con resonadores plasmónicos de disco de grafeno conectados por nanocintas cuasi unidimensionales. Puede detectar eficazmente la luz infrarroja media a temperatura ambiente.

"Nuestro dispositivo tiene nanoestructuras artificiales que convierten la luz en plasmones, y posteriormente en calor electrónico, "Dijo Guo." Su resistencia también es muy sensible al aumento de temperatura. A diferencia de eso en la hoja de grafeno, en nanocintas de grafeno estrechas, el transporte de electrones depende en gran medida de la energía térmica del electrón ".

Y lo que es más, Guo dijo, es que el dispositivo responde muy rápidamente a las radiaciones del infrarrojo medio. "Los sensores térmicos de temperatura ambiente existentes en general tienen una gran capacidad calorífica y estructuras de aislamiento térmico bien diseñadas. Por lo general, tardan milisegundos en calentarse. Pero para el grafeno, puede ser superrápido:un nanosegundo, o solo una mil millonésima de segundo ". Esto hace que el detector de grafeno sea muy adecuado para aplicaciones de comunicación en el espacio libre de alta velocidad en el infrarrojo medio, que está fuera del alcance de los microbolómetros convencionales que funcionan a temperatura ambiente.

El dispositivo es simple y escalable. Notablemente, la huella del dispositivo puede ser incluso menor que la longitud de onda de la luz. "Ofrece muchas oportunidades nuevas en fotónica de infrarrojo medio, "Dijo Xia." Construyendo una cámara de infrarrojos medios de alta resolución con píxeles de sublongitud de onda, por ejemplo, o para integrarse en circuitos integrados fotónicos para permitir espectrómetros de infrarrojo medio en un solo chip ".