(Phys.org) -- Des chercheurs du Center for Nanophysics and Advanced Materials de l'Université du Maryland ont mis au point un nouveau type de bolomètre à électrons chauds, un détecteur sensible de lumière infrarouge, qui peut être utilisé dans une vaste gamme d'applications allant de la détection d'armes chimiques et biochimiques à distance à l'utilisation dans les technologies d'imagerie de sécurité telles que les scanners corporels des aéroports, à l'analyse chimique en laboratoire et à l'étude de la structure de l'univers à l'aide de télescopes améliorés.

Les chercheurs de l'UMD, dirigé par l'associé de recherche Jun Yan et les professeurs Michael Fuhrer et Dennis Drew, développé le bolomètre en utilisant du graphène bicouche - deux feuilles de carbone d'épaisseur atomique. En raison des propriétés uniques du graphène, le bolomètre est censé être sensible à une très large gamme d'énergies lumineuses, allant des fréquences térahertz ou des ondes submillimétriques à travers l'infrarouge à la lumière visible.

Le bolomètre à électrons chauds au graphène est particulièrement prometteur en tant que sensible, et détecteur à faible bruit d'ondes submillimétriques, qui sont particulièrement difficiles à détecter. Parce que ces photons sont émis par des molécules interstellaires relativement froides, L'astronomie submillimétrique étudie les premiers stades de la formation des étoiles et des galaxies en observant ces nuages ​​interstellaires de molécules. Des détecteurs sensibles d'ondes submillimétriques sont recherchés pour de nouveaux observatoires qui détermineront les décalages vers le rouge et les masses de jeunes galaxies très éloignées et permettront d'étudier l'énergie noire et le développement de la structure dans l'univers.

Les conclusions de l'équipe du Maryland sont publiées dans le numéro du 3 juin de Nature Nanotechnologie .

La plupart des détecteurs de photons sont basés sur des semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont des matériaux qui ont une gamme d'énergies que leurs électrons sont interdits d'occuper, appelé bande interdite. Les électrons dans un semi-conducteur peuvent absorber des photons de lumière ayant des énergies supérieures à l'énergie de la bande interdite, et cette propriété est à la base de dispositifs tels que les cellules photovoltaïques.

Graphène, un seul plan de graphite d'épaisseur atomique, est unique en ce sens qu'il a une bande interdite d'énergie exactement nulle ; le graphène peut donc absorber des photons de n'importe quelle énergie. Cette propriété rend le graphène particulièrement attractif pour absorber les photons de très basse énergie (térahertz et infrarouge) qui traversent la plupart des semi-conducteurs. Le graphène a une autre propriété intéressante en tant qu'absorbeur de photons :les électrons qui absorbent l'énergie sont capables de la retenir efficacement, plutôt que de perdre de l'énergie à cause des vibrations des atomes du matériau. Cette même propriété conduit également à une résistance électrique extrêmement faible dans le graphène.

Des chercheurs de l'Université du Maryland ont exploité ces deux propriétés pour concevoir le bolomètre à électrons chauds. Il fonctionne en mesurant le changement de résistance qui résulte du chauffage des électrons lorsqu'ils absorbent la lumière.

Normalement, la résistance du graphène est presque indépendante de la température, ne convient pas à un bolomètre. Les chercheurs du Maryland ont donc utilisé une astuce spéciale :lorsque le graphène bicouche est exposé à un champ électrique, il a une petite bande interdite, suffisamment grand pour que sa résistance devienne fortement dépendante de la température, mais suffisamment petit pour conserver sa capacité à absorber les photons infrarouges de faible énergie.

Les chercheurs ont découvert que leur bolomètre à électrons chauds en graphène bicouche fonctionnant à une température de 5 Kelvin avait une sensibilité comparable aux bolomètres existants fonctionnant à des températures similaires, mais était plus de mille fois plus rapide. Ils ont extrapolé les performances du bolomètre au graphène à une température plus basse et ont découvert qu'il pouvait battre toutes les technologies existantes.

Certains défis demeurent. Le bolomètre bicouche en graphène a une résistance électrique plus élevée que les dispositifs similaires utilisant d'autres matériaux, ce qui peut rendre son utilisation difficile à hautes fréquences. En outre, le graphène bicouche n'absorbe que quelques pour cent de la lumière incidente. Mais les chercheurs du Maryland travaillent sur des moyens de contourner ces difficultés avec de nouvelles conceptions d'appareils, et sont convaincus que le graphène a un bel avenir en tant que matériau photodétecteur.