Capteur de photons micro-ondes au graphène ultra-sensible

Un capteur de rayonnement micro-ondes avec une sensibilité 100 000 fois supérieure aux capteurs commerciaux actuellement disponibles a été développé. Le bolomètre a été fabriqué en exploitant la réponse thermique géante du graphène au rayonnement micro-ondes. Le bolomètre micro-ondes est capable de détecter un seul photon micro-ondes — la plus petite quantité d'énergie dans la nature.

Le capteur bolométrique au graphène détecte le rayonnement électromagnétique en mesurant l'élévation de température lorsque les photons sont absorbés dans le capteur. Le graphène est un matériau bidimensionnel, d'une épaisseur d'un atome. L'équipe de recherche a atteint une haute sensibilité du bolomètre en incorporant le graphène dans l'antenne micro-ondes.

Une innovation clé de cette avancée est de mesurer l'élévation de température par une jonction de Josephson supraconductrice tout en maintenant un couplage de rayonnement micro-ondes élevé dans le graphène via une antenne. L'efficacité de couplage est essentielle pour la détection à haute sensibilité. Une jonction de Josephson est un dispositif mécanique quantique composé de deux électrodes supraconductrices séparées par une barrière (barrière de tunnel isolante mince, métal normal, semi-conducteur, ferromagnétique, etc.).

En plus d'être mince, les électrons dans le graphène sont également dans une structure de bande très particulière dans laquelle les bandes de valence et de conduction se rencontrent en un seul point connu sous le nom de point de Dirac. La densité d'états s'y annule ; lorsque les électrons reçoivent l'énergie du photon, l'élévation de température est élevée tandis que la fuite de chaleur est faible.

Avec une sensibilité accrue des détecteurs bolométriques, cette recherche a trouvé une nouvelle voie pour améliorer les performances des systèmes détectant des signaux électromagnétiques tels que le radar, la vision nocturne, le LiDAR (Light Detection and Ranging) et les communications. Elle pourrait également permettre de nouvelles applications telles que la science de l'information quantique, l'imagerie thermique et la recherche de matière noire.