Les bolomètres sont des appareils qui mesurent la puissance du rayonnement électromagnétique incident à travers le chauffage des matériaux, qui présentent une dépendance température-résistance électrique. Ces instruments sont parmi les détecteurs les plus sensibles utilisés jusqu'à présent pour la détection de rayonnement infrarouge et sont des outils clés pour des applications allant de l'imagerie thermique avancée, vision nocturne, spectroscopie infrarouge à l'astronomie observationnelle, pour n'en nommer que quelques-uns.

Même s'ils se sont avérés être d'excellents capteurs pour cette gamme spécifique de rayonnement, le défi consiste à atteindre une sensibilité élevée, temps de réponse rapide et forte absorption lumineuse, qui ne sont pas toujours accomplis tous ensemble. De nombreuses études ont été menées pour obtenir ces bolomètres de plus haute sensibilité en cherchant à réduire la taille du détecteur et ainsi augmenter la réponse thermique, et ce faisant, ils ont découvert que le graphène semble être un excellent candidat pour cela.

Si nous nous concentrons sur la gamme infrarouge, plusieurs expériences ont démontré que si vous prenez une feuille de graphène et la placez entre deux couches de matériau supraconducteur pour créer une jonction Josephson, vous pouvez obtenir un seul appareil détecteur de photons. A basse température, et en l'absence de photons, un courant supraconducteur traverse le dispositif. Lorsqu'un seul photon infrarouge traverse le détecteur, la chaleur qu'il génère suffit à réchauffer le graphène, qui modifie la jonction Josephson de telle sorte qu'aucun courant supraconducteur ne puisse circuler. Ainsi, vous pouvez réellement détecter les photons qui traversent l'appareil en mesurant le courant. Cela peut être fait essentiellement parce que le graphène a une capacité thermique électronique presque négligeable. Cela signifie que, contrairement aux matériaux qui retiennent la chaleur comme l'eau, dans le cas du graphène, un seul photon de faible énergie peut chauffer suffisamment le détecteur pour bloquer le courant supraconducteur, puis se dissiper rapidement, permettant au détecteur de se réinitialiser rapidement, et ainsi obtenir des temps de réponse très rapides et des sensibilités élevées.

En essayant de faire un pas de plus et de passer à des longueurs d'onde plus élevées, dans une étude récente publiée dans La nature , une équipe de scientifiques qui comprend le chercheur ICFO Dmitri Efetov, avec des collègues de l'Université Harvard, Raytheon BBN Technologies, MIT, et l'Institut national des sciences des matériaux, a été en mesure de développer un bolomètre à base de graphène capable de détecter des photons micro-ondes à des sensibilités extrêmement élevées et avec des temps de réponse rapides.

Tout comme avec la gamme infrarouge, l'équipe a pris une feuille de graphène et l'a placée entre deux couches de matériau supraconducteur pour créer une jonction Josephson. Cette fois, ils ont emprunté une toute nouvelle voie et ont attaché un résonateur micro-ondes pour générer les photons micro-ondes et en faisant passer ces photons à travers l'appareil, ont pu atteindre des niveaux de détection sans précédent. En particulier, ils ont pu détecter des photons uniques avec une résolution en énergie beaucoup plus faible, équivalent à celui d'un seul photon de 32 Ghz, et obtenez des lectures de détection 100 000 fois plus rapides que les bolomètres à nanofils les plus rapides construits jusqu'à présent.

Les résultats obtenus dans cette étude représentent une percée majeure dans le domaine des bolomètres. Non seulement le graphène s'est avéré être un matériau idéal pour la détection et l'imagerie infrarouge, mais il s'est également avéré qu'il s'étend sur des longueurs d'onde plus élevées, atteindre le micro-ondes, où il a également montré qu'il atteignait des sensibilités extrêmement élevées et des temps de lecture ultra-rapides.

Comme le commente le professeur de l'ICFO Dmitri Efetov « de telles réalisations étaient considérées comme impossibles avec des matériaux traditionnels, et le graphène a encore fait l'affaire. Cela ouvre des voies entièrement nouvelles pour les capteurs quantiques pour le calcul quantique et la communication quantique. »