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La investigación financiada por el ejército desarrolla un sensor de bolómetro de grafeno con una sensibilidad 100.000 veces mayor que los sensores comerciales disponibles actualmente. La detección de la radiación de microondas es clave para la obtención de imágenes térmicas, la guerra electrónica, las comunicaciones por radio y el radar, pero la sensibilidad de detección limita el rendimiento de estos sistemas. Crédito: Raytheon BBN Technologies
Una mejor detección de la radiación de microondas mejorará las imágenes térmicas, la guerra electrónica y las comunicaciones por radio.
La investigación financiada por el ejército desarrolló un nuevo sensor de radiación de microondas con una sensibilidad 100.000 veces mayor que los sensores comerciales disponibles actualmente. Los investigadores dijeron que una mejor detección de la radiación de microondas permitirá mejorar la imagen térmica, la guerra electrónica, las comunicaciones por radio y el radar.
Los investigadores publicaron su estudio en la revista revisada por pares. Naturaleza. El equipo incluye científicos de la Universidad de Harvard, el Instituto de Ciencias Fotónicas, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang y Raytheon BBN Technologies. El Ejército, en parte, financió el trabajo para fabricar este bolómetro explotando la respuesta térmica gigante de grafeno a la radiación de microondas.
“El bolómetro de microondas desarrollado bajo este proyecto es tan sensible que es capaz de detectar un solo fotón de microondas, que es la cantidad más pequeña de energía en la naturaleza”, dijo el Dr. Joe Qiu, gerente de programa de electrónica de estado sólido y electromagnética, Army Oficina de Investigación, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. “Esta tecnología permitirá potencialmente nuevas capacidades para aplicaciones como la detección cuántica y el radar, y garantizará que el Ejército de los EE. UU. Mantenga el dominio espectral en el futuro previsible”.
Un bolómetro detecta la radiación electromagnética midiendo el aumento de temperatura a medida que los fotones son absorbidos por el sensor. El equipo de investigación fabrica este bolómetro aprovechando la gigantesca respuesta térmica del grafeno a la radiación de microondas. Crédito: Raytheon BBN Technologies
El sensor del bolómetro de grafeno detecta la radiación electromagnética midiendo el aumento de temperatura a medida que los fotones son absorbidos por el sensor. El grafeno es bidimensional, unidimensionalátomo capa de material grueso. Los investigadores lograron una alta sensibilidad del bolómetro al incorporar grafeno en la antena de microondas.
Una innovación clave en este avance es medir el aumento de temperatura mediante la superconducción de la unión Josephson mientras se mantiene un acoplamiento de radiación de microondas alta en el grafeno a través de una antena, dijeron los investigadores. La eficiencia del acoplamiento es esencial en una detección de alta sensibilidad porque “cada fotón precioso cuenta”.
Una unión de Josephson es un dispositivo de mecánica cuántica que está hecho de dos electrodos superconductores separados por una barrera (barrera de túnel aislante delgada, metal normal, semiconductor, ferromagnet, etc.)
El bolómetro de microondas desarrollado bajo este proyecto es capaz de detectar un solo fotón de microondas, la menor cantidad de energía en la naturaleza. Crédito: Raytheon BBN Technologies
Además de ser delgados, los electrones del grafeno también se encuentran en una estructura de bandas muy especial en la que las bandas de valencia y conducción se encuentran en un solo punto, conocido como punto de Dirac.
“La densidad de estados desaparece allí, de modo que cuando los electrones reciben la energía de los fotones, el aumento de temperatura es alto mientras que la fuga de calor es pequeña”, dijo el Dr. Kin Chung Fong, Raytheon BBN Technologies.
Con una mayor sensibilidad de los detectores de bolómetros, esta investigación ha encontrado una nueva vía para mejorar el rendimiento de los sistemas que detectan señales electromagnéticas como el radar, la visión nocturna, LIDAR (detección de luz y rango) y la comunicación. También podría permitir nuevas aplicaciones como la ciencia de la información cuántica, la imagen térmica y la búsqueda de materia oscura.
Referencia: “Bolómetro de microondas de unión Josephson basado en grafeno” por Gil-Ho Lee, Dmitri K. Efetov, Woochan Jung, Leonardo Ranzani, Evan D. Walsh, Thomas A. Ohki, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Philip Kim, Dirk Englund y Kin Chung Fong, 30 de septiembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2752-4
La parte de la investigación realizada en MIT incluía trabajo del Instituto de Nanotecnologías de Soldados. El Ejército de los EE. UU. Estableció el instituto en 2002 como un centro de investigación interdisciplinario para mejorar drásticamente las capacidades de protección, supervivencia y misión del Soldado y de las plataformas y sistemas de apoyo al Soldado.
