Sensores 100.000 veces más sensibles podrían reforzar las imágenes térmicas

Una investigación financiada por el US Army ha desarrollado un nuevo sensor de radiación de microondas, que tiene una sensibilidad 100.000 veces mayor que los sensores comerciales disponibles en la actualidad.

Los investigadores afirman que la mejora de la detección de la radiación de microondas permitirá mejorar las imágenes térmicas, la guerra electrónica, las comunicaciones por radio y el radar.

El estudio se ha publicado en la revista Nature y revisado por expertos. El equipo investigador está formado por científicos de la Universidad de Harvard, del Instituto de Ciencias Fotónicas, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang y de Raytheon BBN Technologies. El Ejército ha financiado en parte el trabajo, para fabricar este bolómetro aprovechando la gigantesca respuesta térmica del grafeno a la radiación de microondas.

«El bolómetro de microondas desarrollado en el marco de este proyecto es tan sensible que es capaz de detectar un solo fotón, que es la menor cantidad de energía en la naturaleza», dijo el Dr. Joe Qiu, director del programa de electrónica y electromagnetismo de estado sólido de la Oficina de Investigación del Ejército. «Esta tecnología permitirá potencialmente nuevas capacidades para aplicaciones como la detección cuántica y el radar, y asegurará el dominio espectral en un futuro previsible».

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 un material bidimensional, de una capa de un átomo de espesor. Los investigadores lograron una alta sensibilidad del bolómetro incorporando grafeno en la antena de microondas.

Una innovación clave en este avance es la medición del aumento de la temperatura por medio de la unión superconductora Josephson mientras se mantiene un alto acoplamiento de radiación de microondas 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 Josephson es un dispositivo mecánico cuántico que está hecho de dos electrodos superconductores separados por una barrera (barrera delgada de túnel aislante, metal normal, semiconductor, ferroimán, etc.)

Además de ser delgados, los electrones en el grafeno también están en una estructura de bandas muy especial en la que las de valencia y conducción se encuentran en un solo punto, conocido como punto Dirac.

«La densidad de los estados se desvanece allí, de modo que cuando los electrones reciben la energía de los fotones, el aumento de la temperatura es alto mientras que la fuga de calor es pequeña», dijo el Dr. Kin Chung Fong, Raytheon BBN Technologies.

Con el aumento de la sensibilidad de los detectores de bolómetros, esta investigación ha encontrado una nueva vía para mejorar el rendimiento de los sistemas de detección de señales electromagnéticas como el radar, la visión nocturna, LIDAR (Light Detection and Ranging), y la comunicación. También podría permitir nuevas aplicaciones, como la ciencia de la información cuántica, las imágenes térmicas, así como la búsqueda de materia oscura.

La parte de la investigación llevada a cabo en el MIT incluía trabajos del Instituto de Nanotecnologías del Soldado. El Ejército de Estados Unidos estableció el instituto en 2002 como un centro de investigación interdisciplinario para mejorar drásticamente la protección, la capacidad de supervivencia y las capacidades de misión del Soldado y de las plataformas y sistemas de apoyo al Soldado.

Fte. Army.mil