Un sensore 100.000 volte più sensibile

La ricerca finanziata dall'esercito statunitense ha sviluppato un nuovo sensore di radiazioni a microonde con una sensibilità 100.000 volte superiore rispetto ai sensori commerciali attualmente disponibili.

I ricercatori, che hanno pubblicato il loro studio sulla rivista Nature, (1) sostengono che una migliore rilevazione delle radiazioni a microonde consentirà di migliorare la termografia, la guerra elettronica, le comunicazioni radio e il radar.

Il team comprende scienziati dell'Università di Harvard, The Institute of Photonic Sciences, Massachusetts Institute of Technology, Pohang University of Science and Technology e Raytheon BBN Technologies. L'esercito, in parte, ha finanziato il lavoro per fabbricare questo bolometro sfruttando la gigantesca risposta termica del grafene alla radiazione a microonde.

«Il bolometro a microonde, sviluppato nell'ambito di questo progetto, è così sensibile che è in grado di rilevare un singolo fotone a microonde, che è la più piccola quantità di energia in natura», ha affermato il dottor Joe X. Qiu, (2) responsabile del programma per l'elettronica a stato solido e l'elettromagnetismo, Army Ufficio di ricerca, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito americano. «Questa tecnologia consentirà potenzialmente nuove funzionalità per applicazioni come il rilevamento quantistico, il radar e garantirà che l'esercito americano mantenga il dominio spettrale nel prossimo futuro».

Il sensore del bolometro al grafene rileva la radiazione elettromagnetica misurando l'aumento di temperatura quando i fotoni vengono assorbiti nel sensore. Il grafene è un materiale a due dimensioni con uno strato di un atomo. I ricercatori hanno ottenuto un'elevata sensibilità del bolometro incorporando il grafene nell'antenna a microonde.

Una innovativa chiave in questo progresso è misurare l'aumento della temperatura superconducendo la giunzione Josephson e mantenendo un elevato accoppiamento di radiazioni a microonde nel grafene attraverso un'antenna, hanno detto gli scienziati. L'efficienza di accoppiamento è essenziale in un rilevamento ad alta sensibilità perché “ogni prezioso fotone conta”.

Una giunzione Josephson è un dispositivo meccanico quantistico costituito da due elettrodi superconduttori separati da una barriera (barriera a tunnel isolante sottile, metallo normale, semiconduttore, ferromagnete, ecc.)

Oltre ad essere sottili, gli elettroni nel grafene sono anche in una struttura a bande molto speciali in cui le bande di valenza e di conduzione si incontrano in un solo punto, noto come punto di Dirac.

«La densità degli stati svanisce lì in modo che quando gli elettroni ricevono l'energia dei fotoni, l'aumento di temperatura è elevato mentre la dispersione di calore è piccola», ha affermato il dottor Kin Chung Fong, (3) Raytheon BBN Technologies.

Con una maggiore sensibilità dei rilevatori bolometrici, questa ricerca ha trovato un nuovo percorso per migliorare le prestazioni dei sistemi di rilevamento del segnale elettromagnetico come radar, visione notturna, LIDAR (Light Detection and Ranging) e comunicazione. Potrebbe anche consentire nuove applicazioni come la scienza dell'informazione quantistica, l'imaging termico e la ricerca della materia oscura.

La parte della ricerca condotta al MIT comprendeva il lavoro dell'Istituto per le nanotecnologie dei soldati. (4) L'esercito degli Stati Uniti ha istituito l'istituto nel 2002 come un centro di ricerca interdisciplinare per migliorare notevolmente la protezione, la sopravvivenza e le capacità di missione del soldato e delle piattaforme e dei sistemi di supporto del soldato.

Il CCDC (Army Research Laboratory) è un elemento del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. In qualità di laboratorio di ricerca aziendale dell'esercito, ARL scopre, innova e trasforma la scienza e la tecnologia per garantire un potere strategico terrestre dominante. Attraverso la collaborazione tra le principali competenze tecniche del comando, CCDC guida la scoperta, lo sviluppo e la fornitura delle capacità basate sulla tecnologia necessarie per rendere i soldati più letali per vincere le guerre nazionali e tornare a casa sani e salvi. Il CCDC è un importante comando subordinato del Comando Futures dell'esercito americano.

Riferimenti:

(1) Graphene-based Josephson junction microwave bolometer

(2) Joe X. Qiu

(3) Kin Chung Fong

(4) Institute for Soldier Nanotechnologies

Descrizione foto: La ricerca finanziata dall'esercito statunitense sviluppa un sensore bolometro al grafene con una sensibilità 100.000 volte superiore rispetto ai sensori commerciali attualmente disponibili. Il rilevamento delle radiazioni a microonde è fondamentale per la termografia, la guerra elettronica, le comunicazioni radio e il radar, ma la sensibilità di rilevamento limita le prestazioni di questi sistemi. Un bolometro rileva la radiazione elettromagnetica misurando l'aumento di temperatura quando i fotoni vengono assorbiti nel sensore. Il team di ricerca ha fabbricato questo bolometro sfruttando la gigantesca risposta termica del grafene alla radiazione a microonde. - Credit: Raytheon BBN Technologies.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Sensor with 100,000 times higher sensitivity could bolster thermal imaging