一种更好的测量电磁辐射的装置

通过加热吸收材料来监测电磁辐射的测辐射热计，被天文学家和房主都使用。但大多数此类设备的带宽有限，必须在超低温下运行。现在，研究人员表示，他们已经发现了一种可以在室温下工作的超快但高灵敏度的替代品 - 并且可能更便宜。

发表在“ 自然纳米技术 ”杂志上的研究结果 可能有助于为新型长波辐射天文台，新型建筑物热传感器，甚至新型量子传感和信息处理设备铺平道路，多学科研究团队表示。该小组包括最近的麻省理工学院博士后Dmitri Efetov，麻省理工学院电气工程与计算机科学系的Dirk Englund教授，雷神BBN技术公司的Kin Chung Fong以及麻省理工学院和哥伦比亚大学的同事。

“我们相信，我们的工作为基于低维材料的新型高效测辐射热计打开了大门，”该论文的资深作者Englund说。他说，基于一小块二维碳形式电子加热的新系统称为石墨烯，它首次结合了高灵敏度和高带宽 - 比传统测​​辐射热计大几个数量级 - 单个设备。

西班牙巴塞罗那光子科学研究所的ICF教授埃菲托夫说：“这种新设备非常敏感，同时也是超快的，”它有可能在几皮秒(万亿分之一秒)内读取数据。 ，谁是论文的主要作者。“这种属性的组合是独一无二的，”他说。

他说，新系统也可以在任何温度下运行，不像现有的设备必须冷却到极低的温度。尽管该装置的大多数实际应用仍将在这些超冷条件下完成，但对于某些应用，例如用于建筑效率的热传感器，在没有专门冷却系统的情况下操作的能力可能是真正的优势。“这是第一种对温度没有限制的设备，”Efetov说。

他们制造的新测辐射热计在实验室条件下进行了演示，可以测量入射电磁辐射光子所携带的总能量，无论该辐射是以可见光，无线电波，微波还是光谱的其他部分形式。这种辐射可能来自遥远的星系，也可能是来自绝缘不良房屋的红外热波。

该装置完全不同于传统的测辐射热计，传统的测辐射热计通常使用金属来吸收辐射并测量产生的温升。相反，该团队开发了一种新型测辐射热计，它依靠加热电子在一小块石墨烯中移动，而不是加热固体金属。Englund解释说，石墨烯与称为光子纳米腔的装置耦合，该装置用于放大辐射的吸收。

“大多数测辐射热计都依赖于一块材料中原子的振动，这往往会使它们的反应变慢，”他说。然而，在这种情况下，“与传统的辐射热测量计不同，这里的加热体只是电子气体，它具有非常低的热容量，这意味着即使由于吸收的光子引起的小能量输入也会导致大的温度变化，”更容易精确测量该能量。虽然之前已经证明了石墨烯辐射热测量计，但这项工作解决了一些重要的突出挑战，包括使用纳米腔体有效吸收到石墨烯中，以及阻抗匹配的温度读数。

Englund说，这项新技术“为具有全新功能的测辐射热计打开了一扇新窗口，可以从根本上改善热成像，观测天文学，量子信息和量子传感等应用。”

对于天文观测，新系统可以通过填充一些尚未使用实际探测器进行观测的剩余波段来帮助，例如现有系统很难获得的频率的“太赫兹间隙”。Efetov说：“那里，我们的探测器可以是一个最先进的系统”，用于观察这些难以捉摸的光线。他说，这可能对观测非常长波长的宇宙背景辐射很有用。

耶鲁大学应用物理学教授丹尼尔普罗伯没有参与这项研究，他说：“这项工作是利用超薄金属层石墨烯的许多好处的一个非常好的项目，同时巧妙地解决了限制问题。 “他补充说，”由此产生的探测器对频谱中具有挑战性的区域的功率检测非常敏感，现在已经准备好用于一些激动人心的应用。“

格拉斯哥大学光子学教授罗伯特·哈德菲尔德(Robert Hadfield)也没有参与这项工作，他表示，“对新的高灵敏度红外探测技术有着巨大的需求。Efetov和同事们的这项工作报告了一个集成在光子晶体腔中的创新石墨烯辐射热测量计，以实现高吸收，这是及时和令人兴奋的。“