Los bolómetros son dispositivos que miden la potencia de la radiación electromagnética incidente a través del calentamiento de materiales, que exhiben una dependencia de la temperatura-resistencia eléctrica. Estos instrumentos se encuentran entre los detectores más sensibles utilizados hasta ahora para la detección de radiación infrarroja y son herramientas clave para aplicaciones que van desde imágenes térmicas avanzadas, Vision nocturna, espectroscopía infrarroja a astronomía observacional, para nombrar unos pocos.

Aunque han demostrado ser excelentes sensores para este rango específico de radiación, el desafío radica en lograr una alta sensibilidad, tiempo de respuesta rápido y fuerte absorción de luz, que no siempre se logran todos juntos. Se han realizado muchos estudios para obtener estos bolómetros de mayor sensibilidad buscando reducir el tamaño del detector y así aumentar la respuesta térmica, y al hacerlo, han descubierto que el grafeno parece ser un excelente candidato para esto.

Si nos centramos en el rango de infrarrojos, Varios experimentos han demostrado que si toma una hoja de grafeno y la coloca entre dos capas de material superconductor para crear una unión de Josephson, puede obtener un dispositivo detector de fotones individuales. A bajas temperaturas, y en ausencia de fotones, una corriente superconductora fluye a través del dispositivo. Cuando un solo fotón infrarrojo pasa a través del detector, el calor que genera es suficiente para calentar el grafeno, que altera la unión de Josephson de modo que no pueda fluir ninguna corriente superconductora. Por lo tanto, puede detectar los fotones que pasan a través del dispositivo midiendo la corriente. Esto se puede hacer básicamente porque el grafeno tiene una capacidad calorífica electrónica casi insignificante. Esto significa que, contrario a los materiales que retienen el calor como el agua, en el caso del grafeno, un solo fotón de baja energía puede calentar el detector lo suficiente como para bloquear la corriente superconductora, y luego disiparse rápidamente, permitiendo que el detector se reinicie rápidamente, y consiguiendo así respuestas de tiempo muy rápidas y sensibilidades elevadas.

Intentando dar un paso más y pasar a longitudes de onda más altas, en un estudio reciente publicado en Naturaleza , un equipo de científicos que incluye al investigador del ICFO Dmitri Efetov, junto con colegas de la Universidad de Harvard, Raytheon BBN Technologies, MIT, y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales, ha podido desarrollar un bolómetro basado en grafeno que puede detectar fotones de microondas a sensibilidades extremadamente altas y con respuestas de tiempo rápidas.

Al igual que con el rango de infrarrojos, el equipo tomó una hoja de grafeno y la colocó entre dos capas de material superconductor para crear una unión Josephson. Esta vez, Tomaron una ruta completamente nueva y conectaron un resonador de microondas para generar los fotones de microondas y, al pasar estos fotones a través del dispositivo, Pudieron alcanzar niveles de detección sin precedentes. En particular, pudieron detectar fotones individuales con una resolución de energía mucho menor, equivalente a la de un solo fotón de 32 Ghz, y consiga lecturas de detección 100.000 veces más rápidas que los bolómetros de nanocables más rápidos construidos hasta ahora.

Los resultados obtenidos en este estudio significan un gran avance en el campo de los bolómetros. El grafeno no solo ha demostrado ser un material ideal para la detección e imágenes infrarrojas, pero también se ha demostrado que se extiende a longitudes de onda más altas, alcanzando el microondas, donde también ha demostrado alcanzar sensibilidades extremadamente altas y tiempos de lectura ultrarrápidos.

Como comenta el profesor del ICFO Dmitri Efetov, "se pensaba que tales logros eran imposibles con materiales tradicionales, y el grafeno volvió a hacer el truco. Esto abre vías completamente nuevas para los sensores cuánticos para la computación cuántica y la comunicación cuántica ".