Bolomètres, dispositifs qui surveillent le rayonnement électromagnétique par chauffage d'un matériau absorbant, sont utilisés par les astronomes et les propriétaires. Mais la plupart de ces appareils ont une bande passante limitée et doivent fonctionner à des températures ultra basses. Maintenant, les chercheurs disent avoir trouvé une alternative ultrarapide mais très sensible qui peut fonctionner à température ambiante et peut être beaucoup moins chère.

Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnologie , pourrait aider à ouvrir la voie à de nouveaux types d'observatoires astronomiques pour les émissions à grande longueur d'onde, de nouveaux capteurs de chaleur pour les bâtiments, et même de nouveaux types de dispositifs de détection quantique et de traitement de l'information, dit l'équipe de recherche multidisciplinaire. Le groupe comprend le récent postdoctorant du MIT Dmitri Efetov, Professeur Dirk Englund du Département de génie électrique et informatique du MIT, Kin Chung Fong de Raytheon BBN Technologies, et des collègues du MIT et de l'Université Columbia.

« Nous pensons que notre travail ouvre la porte à de nouveaux types de bolomètres efficaces à base de matériaux de faible dimension, " dit Englund, l'auteur principal de l'article. Il dit que le nouveau système, basé sur le chauffage d'électrons dans un petit morceau d'une forme bidimensionnelle de carbone appelée graphène, pour la première fois combine à la fois une sensibilité élevée et une bande passante élevée – des ordres de grandeur supérieurs à ceux des bolomètres conventionnels – dans un seul appareil.

"Le nouvel appareil est très sensible, et en même temps ultrarapide, " ayant le potentiel de prendre des lectures en quelques picosecondes seulement (des billions de seconde), dit Efetov, maintenant professeur à l'ICFO, l'Institut des sciences photoniques de Barcelone, Espagne, qui est l'auteur principal de l'article. "Cette combinaison de propriétés est unique, " il dit.

Le nouveau système peut également fonctionner à n'importe quelle température, il dit, contrairement aux appareils actuels qui doivent être refroidis à des températures extrêmement basses. Bien que la plupart des applications réelles de l'appareil se fassent toujours dans ces conditions ultrafroides, pour certaines applications, tels que les capteurs thermiques pour l'efficacité du bâtiment, la possibilité de fonctionner sans systèmes de refroidissement spécialisés pourrait être un réel plus. "C'est le premier appareil de ce genre qui n'a pas de limite de température, " dit Efetov.

Le nouveau bolomètre qu'ils ont construit, et démontré dans des conditions de laboratoire, peut mesurer l'énergie totale transportée par les photons du rayonnement électromagnétique entrant, si ce rayonnement est sous forme de lumière visible, les ondes radio, micro-ondes, ou d'autres parties du spectre. Ce rayonnement peut provenir de galaxies lointaines, ou des ondes infrarouges de chaleur s'échappant d'une maison mal isolée.

L'appareil est totalement différent des bolomètres traditionnels, qui utilisent généralement un métal pour absorber le rayonnement et mesurer l'élévation de température qui en résulte. Au lieu, cette équipe a développé un nouveau type de bolomètre qui repose sur le chauffage d'électrons se déplaçant dans un petit morceau de graphène, plutôt que de chauffer un métal solide. Le graphène est couplé à un dispositif appelé nanocavité photonique, qui sert à amplifier l'absorption du rayonnement, Englund explique.

"La plupart des bolomètres reposent sur les vibrations des atomes dans un morceau de matériau, ce qui a tendance à ralentir leur réponse, " dit-il. Dans ce cas, bien que, "contrairement à un bolomètre traditionnel, le corps chauffé ici est simplement le gaz d'électrons, qui a une très faible capacité calorifique, ce qui signifie que même une petite entrée d'énergie due aux photons absorbés provoque une grande variation de température, " facilitant les mesures précises de cette énergie. Bien que les bolomètres à graphène aient déjà été démontrés, ce travail résout certains des défis importants en suspens, y compris une absorption efficace dans le graphène à l'aide d'une nanocavité, et la lecture de la température adaptée à l'impédance.

La nouvelle technologie, Englund dit, " ouvre une nouvelle fenêtre pour les bolomètres avec des fonctionnalités entièrement nouvelles qui pourraient radicalement améliorer l'imagerie thermique, astronomie d'observation, informations quantiques, et la détection quantique, entre autres applications."

Pour les observations astronomiques, le nouveau système pourrait aider en remplissant certaines des bandes de longueurs d'onde restantes qui n'ont pas encore eu de détecteurs pratiques pour faire des observations, comme le "terahertz gap" de fréquences très difficiles à capter avec les systèmes existants. "Là, notre détecteur pourrait être un système à la pointe de la technologie pour observer ces rayons insaisissables, dit Efetov. Il pourrait être utile pour observer le rayonnement de fond cosmique de très grande longueur d'onde, il dit.