Fyzici z Massachusetts Institute of Technology (MIT) vytvořili grafenový bolometr, který pracuje mnohem rychleji a je daleko citlivější než konvenční zařízení.
Bolometr je velmi citlivý přístroj určený pro měření intenzity slabého elektromagnetického záření nebo v opačném směru malých změn teploty. Ve spojení s teleskopem například umožňuje měřit záření hvězd a tepelné záření Měsíce a planet.
První zařízení tohoto typu sestrojil americký astronom Samuel Pierpont Langley v roce 1880. Zatímco jeho bolometr tvořily dva platinové proužky pokryté sazemi z petrolejové lampy, dnešní konvenční zařízení zjišťují intenzitu dopadajícího elektromagnetického záření prostřednictvím měření teplotních změn ve vhodně tvarovaném kovovém pásku.
Pásek, který absorbuje energii záření, je z čistého kovu s vývody na galvanometr. Od vnějších rušivých vlivů je zařízení izolováno vakuovým pouzdrem. Absorpcí dopadajícího záření se mění odpor bolometru a na základě toho se dá vypočítat množství absorbované energie. Modernější konstrukce používají místo kovového pásku termistor.
Současná zařízení se však potýkají s určitým omezením. Bez ohledu na to, jaký kov se použije, bolometr má omezenou citlivost a je schopen registrovat záření pouze z určitého intervalu vlnových délek. Aby se dosáhlo rozumného poměru signál – šum, používá se například supravodivý bolometr. Jeho základ tvoří místo platinového proužku nitrid niobu chlazený tekutým vodíkem. Odpor nitridu niobu s teplotou prudce klesá a nitrid se při teplotě kolem 14 K stává supravodivým. A proto i při malé změně teploty dochází k velké změně vodivosti. To všechno však velmi podstatně zvyšuje náklady na taková měření.
Všechny tyto problémy vyřešil tým fyziků z MIT tak, že kovový pásek nahradil jednou vrstvou grafenu. Tento revoluční materiál je silný pouze jeden atom a obsahuje 2D elektronový plyn. Elektrony se v grafenu pohybují rychlostí, která se blíží rychlosti světla. Na rozdíl od klasických bolometrů je v tomto případě ohřívaným objektem jednoduše elektronový plyn, který má velmi nízkou tepelnou kapacitu. Proto i velmi malý energetický vstup způsobený absorbovanými fotony vyvolá velký tepelný skok. Pokud je grafen spojen s nanodutinou, signál se dále zesiluje a dovoluje přesně změřit energii fotonu.
Grafenový bolometr má oproti zařízením, která využívají kovový pásek, řadu výhod. Zatímco kov potřebuje k ohřátí relativně dlouhou dobu, elektronový plyn se ohřeje za dobu v řádu pikosekund, a tím umožní, aby měření probíhalo velmi rychle. Elektronové plyny jsou také citlivé na fotony všech vlnových délek, takže ve srovnání s konvenčními bolometry má ten grafenový daleko větší šířku pásma. Ještě jedna velká výhoda tu však je. Dopadající záření má totiž daleko větší vliv na elektronový plyn, než má okolní teplota, takže grafen nemusí být udržován na velmi nízké teplotě za účelem snížení šumu.
Vědci jsou přesvědčeni, že jejich bolometr bude mít širokou škálu aplikací. Díky tomu, že zařízení dokáže pracovat při pokojové teplotě, může být jako součást čidel využito k monitorování teploty v budovách či zjišťování úniků tepla ze špatně zateplených objektů. V astronomii by bolometr mohl vyplnit chybějící pásma vlnových délek, jako je terahertzová mezera, což umožní sledování dříve nedosažitelných signálů. Jeho schopnost registrovat malé změny záření by také mohla být využita při konstrukci kvantově citlivých zařízení a zařízení pro zpracování informací.
Nový bolometr je popsán v Nature Nanotechnology.
Mohlo by vás zajímat:
Permitivita
vody trochu jinak
Vesmírná
mise otestuje kvantovou gravitaci
Jaderná
fúze v mikroskopických měřítkách
MiniBooNE
na stopě sterilním neutrinům