Bolômetros são dispositivos que medem a potência da radiação eletromagnética incidente por meio do aquecimento de materiais, que apresentam uma dependência da resistência elétrica da temperatura. Esses instrumentos estão entre os detectores mais sensíveis até agora usados ​​para detecção de radiação infravermelha e são ferramentas essenciais para aplicações que vão desde imagens térmicas avançadas, visão noturna, espectroscopia infravermelha para astronomia observacional, para nomear alguns.

Mesmo que eles tenham se mostrado excelentes sensores para esta faixa específica de radiação, o desafio está em atingir alta sensibilidade, tempo de resposta rápido e forte absorção de luz, que nem sempre são realizados todos juntos. Muitos estudos foram conduzidos para obter esses bolômetros de alta sensibilidade, buscando reduzir o tamanho do detector e, assim, aumentar a resposta térmica, e ao fazer isso, eles descobriram que o grafeno parece ser um excelente candidato para isso.

Se nos concentrarmos no alcance do infravermelho, vários experimentos demonstraram que se você pegar uma folha de grafeno e colocá-la entre duas camadas de material supercondutor para criar uma junção Josephson, você pode obter um único dispositivo detector de fóton. Em baixas temperaturas, e na ausência de fótons, uma corrente supercondutora flui através do dispositivo. Quando um único fóton infravermelho passa pelo detector, o calor que ele gera é suficiente para aquecer o grafeno, que altera a junção Josephson de modo que nenhuma corrente supercondutora possa fluir. Assim, você pode realmente detectar os fótons que estão passando pelo dispositivo medindo a corrente. Isso pode ser feito basicamente porque o grafeno tem uma capacidade de calor eletrônico quase desprezível. Isso significa que, ao contrário de materiais que retêm calor como a água, no caso do grafeno, um único fóton de baixa energia pode aquecer o detector o suficiente para bloquear a corrente supercondutora, e então se dissipam rapidamente, permitindo que o detector seja reiniciado rapidamente, e assim alcançando respostas de tempo muito rápidas e altas sensibilidades.

Tentando dar um passo adiante e passar para comprimentos de onda mais elevados, em um estudo recente publicado em Natureza , uma equipe de cientistas que inclui o pesquisador do ICFO Dmitri Efetov, junto com colegas da Universidade de Harvard, Raytheon BBN Technologies, MIT, e o Instituto Nacional de Ciências de Materiais, foi capaz de desenvolver um bolômetro baseado em grafeno que pode detectar fótons de microondas em sensibilidades extremamente altas e com respostas de tempo rápido.

Assim como com o alcance infravermelho, a equipe pegou uma folha de grafeno e colocou-a entre duas camadas de material supercondutor para criar uma junção Josephson. Desta vez, eles seguiram um caminho inteiramente novo e anexaram um ressonador de micro-ondas para gerar os fótons de micro-ondas e, ao passar esses fótons através do dispositivo, foram capazes de atingir níveis de detecção sem precedentes. Em particular, eles foram capazes de detectar fótons únicos com uma resolução de energia muito menor, equivalente ao de um único fóton de 32 Ghz, e alcançar leituras de detecção 100.000 vezes mais rápidas do que os bolômetros nanofios mais rápidos construídos até agora.

Os resultados alcançados neste estudo significam um grande avanço no campo dos bolômetros. O grafeno não só provou ser um material ideal para sensoriamento infravermelho e imagens, mas também provou abranger comprimentos de onda mais altos, alcançando o microondas, onde também demonstrou atingir sensibilidades extremamente altas e tempos de leitura ultrarrápidos.

Como o Prof. do ICFO Dmitri Efetov comenta "tais conquistas eram consideradas impossíveis com materiais tradicionais, e o grafeno fez o truque novamente. Isso abre caminhos inteiramente novos para sensores quânticos para computação quântica e comunicação quântica. "