美國陸軍資助石墨烯"高十萬倍的靈敏度" 的微波輻射傳感器研究

2020-10-21 柔智燴

美國陸軍資助基於石墨烯"高十萬倍的靈敏度" 的微波輻射傳感器研究

美國陸軍研究人員開發了一種新的微波輻射傳感器，據稱其靈敏度是目前商業傳感器的100,000倍。該工作發表在《Nature》雜誌上(Graphene-based Josephson junction microwave bolometer)。美國陸軍研究人員稱，這種新的微波輻射傳感器是微波輻射熱計，據稱可導致熱成像，無線電通信和電子戰方面的"重大改進" 。

美國陸軍研究辦公室的 Joe Qiu博士說："根據該項目開發的微波輻射熱測量計非常靈敏，能夠檢測到單個微波光子，這是自然界中最小的能量。"

敏感微波探測器在射電天文學，暗物質軸子搜索和超導量子信息科學領域的研究是必不可少。以獲得更高的靈敏度bolometry由納米微加工，以增加熱響應。然而，由於表面汙染，在具有大的表面體積比的裝置中，難以獲得有效的光子耦合和維持材料性能。而本研究項目中的基於單層石墨烯的最終薄型輻射熱傳感器的測試結果表明，二維材料可以使輻射熱計的開發具有熱力學定律所允許的最高靈敏度。

輻射熱測量計

輻射熱測量計是通過的材料，其表現出的溫度-電阻依賴性加熱測量電磁輻射的功率的裝置。迄今為止，它們是用於紅外輻射檢測的最靈敏的檢測器之一，並且是高級熱成像，夜視和紅外技術等應用中不可或缺的工具。

輻射熱計後面的概念圖​。圖片由伯克利大學提供

儘管輻射熱計已被證明是用於紅外輻射範圍的出色傳感器，但它們靈敏度不高，響應速度很快，並且在某些設備中還易於吸收光。

許多研究試圖通過尋求減小檢測器的尺寸從而增加熱響應來獲得更高靈敏度的輻射熱計。在此過程中，先前的研究發現，石墨烯似乎是一種極好的材料。

石墨烯Bolometer傳感器

研究人員解釋說，在這項最新的石墨烯輻射熱計研究中，美國美國陸軍團隊提出了一種石墨烯微波輻射熱計，它非常靈敏，能夠檢測單個微波光子，這是自然界中最小的能量。

美國陸軍研究人員在該項目下開發的石墨烯微波輻射熱測量儀。它能夠檢測單個微波光子，這是自然界中最少的能量。

它通過測量光子吸收到傳感器中時的溫度升高來檢測電磁輻射。這項研究中的一項關鍵創新是通過保持超高的微波輻射通過天線耦合到石墨烯中的超導約瑟夫森結（一種由兩個分離的超導電極製成的量子機械裝置）來測量溫度升高。

耦合效率在高靈敏度檢測中很重要，因為每個光子都會計數。

特殊band結構

除了薄之外，石墨烯的電子還具有特殊的能帶結構，其中valence and conduction bands 在單個狄拉克點相遇。Kin Chunf Fong博士說："狀態密度在那裡消失，因此，當電子接收光子能量時，溫度升高很高，而熱洩漏很小。"

更高靈敏度的輻射熱檢測器可能會發現新的途徑，以改善檢測電磁信號的系統的性能。邱總結說："這項技術將有可能為量子感測和雷達等應用提供新功能，並確保美國美國陸軍在可預見的未來保持光譜優勢。"

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