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石墨烯|美国高校利用石墨烯研究出首个不受温度限制的测量电磁辐射器件
金陵 2018-06-20
导语

这项新技术“为具有全新功能的辐射热测量计打开了一扇新窗口,能够彻底改善热成像、观测天文学、量子信息和量子传感等应用。”

辐射热测量计是一种通过加热吸收材料来监测电磁辐射的器件。但是大多数此类器件的带宽有限,必须在超低温下运行。目前,美国多方研究人员共同发现了一种超高速且高度敏感的辐射热测量计,可以在室温下使用-且价格可能会低得多。

该研究成果已发表于《自然·纳米技术》杂志,有助于为长波长辐射的新型天文观测台、建筑新型热传感器、甚至新型量子传感和信息处理器件的发展。

▍团队成员

该研究团队成员跨越多个学科,成员包括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教授Dirk Englund、雷神BBN技术部Kin Chung Fong以及麻省理工学院和哥伦比亚大学的人员。

研究成果

论文作者之一Englund说,“新系统基于二维石墨烯材料中的加热电子,首次实现高灵敏度和高带宽特性,比传统辐射热计高出几个数量级。我们的工作打开了基于低维材料的新型高效辐射热测量计的大门。”

Efetov,该论文的主要作者,现在是西班牙巴塞罗那光子科学研究所教授,他说:“新器件非常灵敏,且速度超快,有可能以皮秒(十亿分之一秒)读取读数,这种特性的组合是独一无二的。”

Efetov说: “新系统也可以在任何温度下运行,而不像目前必须冷却到极低温度的器件。尽管该器件的大多数实际应用情况仍然可以在这些超低温条件下完成,但对于某些应用 (如用于建筑效率的热传感器),没有专门的冷却系统的情况下运行的能力才是真正优势。这是第一种不受温度限制的器件。”

他们在实验室条件下演示的新辐射热测量计可以测量传入电磁辐射光子携带的总能量,无论辐射是以可见光、无线电波、微波还是其他光谱形式存在。这种辐射可能来自遥远的星系,也可能来自隔热差的房屋辐射出来的红外热浪。

▍器件测量热的原理

该器件与传统的辐射热测量计完全不同,后者通常使用金属来吸收辐射并测量产生的温升。相反,这个团队开发了一种新型的辐射热测量仪,它依靠加热电子在一小片石墨烯中移动,而不是加热固体金属。石墨烯与称为光子纳米腔的器件耦合,用于放大辐射的吸收。

“大多数测辐射热计都依靠材料中原子的振动,这往往会使他们的反应变慢,”Efetov说。

然而,在这种情况下,与传统的辐射热测量计不同,这里的加热体仅仅是电子气,它的热容量非常低,这意味着即使由吸收的光子引起的小的能量输入也会导致大的温度变化,这使得它更容易对该能量进行精确测量。

先前虽然已证明石墨烯可用于辐射热测量仪,但此次研究工作解决了一些重要的突出挑战,包括使用纳米腔有效吸收石墨烯,以及阻抗匹配温度读数等。

▍研究意义

Englund说,这项新技术“为具有全新功能的辐射热测量计打开了一扇新窗口,能够彻底改善热成像、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具备实际探测器的其他波段来进行观测,例如现有系统难以采集的频率的“太赫兹间隙”。

在这些频段处,该探测器可能是最先进的,可用于观察这些难以捉摸的光线,且对于观察非常长波长的宇宙背景辐射可能很有用。

▍支持单位

该研究受到美国海军实验室、美国能源部、美国布鲁克海文国家实验室、雷神BBN技术公司等多方支持。

▍文章链接:

Dmitri K. Efetov, et al, "Fast thermal relaxation in cavity-coupled graphene bolometers with a Johnson noise read-out,"Nature Nanotechnology(2018)

(本文来源:大国重器微信公众号;)

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作者 金陵

本科生

北京大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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