Les scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), travailler avec des collègues des États-Unis et de l'Allemagne, ont développé un nouveau détecteur optique à partir de graphène qui réagit très rapidement à la lumière incidente de toutes les longueurs d'onde différentes et fonctionne même à température ambiante. C'est la première fois qu'un seul détecteur est capable de surveiller la gamme spectrale allant de la lumière visible au rayonnement infrarouge et jusqu'au rayonnement térahertz. Les scientifiques du HZDR utilisent déjà le nouveau détecteur de graphène pour la synchronisation exacte des systèmes laser.

Un minuscule flocon de graphène sur du carbure de silicium et une antenne au look futuriste, et le voilà - le nouveau détecteur de graphène. Comme aucun autre système de détection unique auparavant, cette construction relativement simple et peu coûteuse peut couvrir l'énorme gamme spectrale de la lumière visible jusqu'au rayonnement térahertz. "Contrairement à d'autres semi-conducteurs comme le silicium ou l'arséniure de gallium, Le graphène peut capter la lumière avec une très large gamme d'énergies photoniques et la convertir en signaux électriques. Nous n'avions besoin que d'une antenne large bande et du bon substrat pour créer les conditions idéales, " a expliqué le Dr Stephan Winnerl, physicien à l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR.

En 2013, Martin Mittendorff, qui était alors doctorant à la HZDR, avait développé le précurseur du détecteur de graphène. Dans son poste actuel de post-doctorant à l'Université du Maryland, il l'a maintenant perfectionné avec ses collègues de Dresde et avec des scientifiques de Marburg, Ratisbonne et Darmstadt. Comment ça marche :l'ensemble flocon de graphène et antenne absorbe les rayons, transférant ainsi l'énergie des photons aux électrons du graphène. Ces "électrons chauds" augmentent la résistance électrique du détecteur et génèrent des signaux électriques rapides. Le détecteur peut enregistrer la lumière incidente en seulement 40 picosecondes - ce sont des milliardièmes de seconde.

Large gamme spectrale obtenue grâce à un substrat en carbure de silicium

Le choix du substrat s'avère aujourd'hui une étape cruciale dans l'amélioration du petit piège à lumière. "Les substrats semi-conducteurs utilisés dans le passé ont toujours absorbé certaines longueurs d'onde mais le carbure de silicium reste passif dans le domaine spectral, " a expliqué Stephan Winnerl. Ensuite, il y a aussi une antenne qui agit comme un entonnoir et capte les rayonnements infrarouges et térahertz de grande longueur d'onde. Les scientifiques ont donc pu augmenter la gamme spectrale d'un facteur 90 par rapport au modèle précédent, rendant la longueur d'onde détectable la plus courte 1000 fois plus petite que la plus longue. A titre de comparaison, lumière rouge, qui a la plus longue longueur d'onde visible à l'œil humain, n'est que deux fois plus longue que la lumière violette qui a la longueur d'onde la plus courte du spectre visible.

Ce détecteur optique universel est déjà utilisé au HZDR pour la synchronisation exacte des deux lasers à électrons libres du Centre ELBE des sources de rayonnement à haute puissance avec d'autres lasers. Cet alignement est particulièrement important pour les expériences « sonde pompe », comme on les appelle, où le chercheur prend un laser pour l'excitation d'un matériau ("pompe") et utilise ensuite un deuxième laser avec une longueur d'onde différente pour la mesure ("sonde"). Les impulsions laser doivent être exactement synchronisées pour de telles expériences. Les scientifiques utilisent donc le détecteur de graphène comme un chronomètre. Il leur indique quand les impulsions laser atteignent leur objectif, et la large bande passante permet d'éviter qu'un changement de détecteur ne soit une source potentielle d'erreur. Un autre avantage est que toutes les mesures peuvent avoir lieu à température ambiante, éliminant le besoin des processus coûteux et longs de refroidissement à l'azote ou à l'hélium avec d'autres détecteurs.