Nopeita ja herkkiä grafeenibolometrejä

Bolometreja käytetään muun muassa lämpökuvaukseen, yönäköön, terahertsikuvaukseen ja tähtitieteen havainnointiin. Niiden toiminta perustuu mitattavan säteilyn anturielementin lämmittävään vaikutukseen ja sen resistanssin muutokseen.

Grafeeni on otettu tällekin alueelle mittauselementiksi. Sillä on pienin mahdollinen massa pinta-alayksikköä kohden samalla kun sillä on äärimmäinen lämpöstabiiliteetti ja vertaansa vailla oleva spektriabsorptio.

Institute of Photonic Sciencesin (ICFO) johdolla tieteilijät ovat keskittyneet monien muiden ohella infrapuna-alueeseen, osoittaneet, että grafeeniarkin asettaminen kahden suprajohtavan materiaalikerroksen väliin Josephson-liitoksen luomiseksi, saadaan aikaiseksi yksittäisen fotonin ilmaisinrakenne.

Alhaisissa lämpötiloissa ja fotonien puuttuessa laitteen läpi kulkee suprajohtava virta. Kun yksi infrapunafotoni kulkee ilmaisimen läpi, sen tuottama lämpö riittää grafeenin lämmittämiseen, mikä muuttaa Josephsonin liitosta siten, ettei suprajohtavaa virta ei kulje. Lisäksi Josephson-liitoksen avuksi otettiin käyttöön mikroaaltoresonaattorin mikroaaltofotonien tuottamiseksi ja kuljettamalla nämä fotonit laitteen läpi pystyivät saavuttamaan ennennäkemättömän ilmaisutason. Näin saadaan kierrettyä grafeenin heikko lämpötilasta riippuva resistanssimuutos.

Erityisesti he pystyivät havaitsemaan yksittäiset fotonit paljon pienemmällä energiaresoluutiolla, joka vastaa yhden 32 Ghz:n fotonia, ja saavuttamaan havaintolukemat 100 000 kertaa nopeammin kuin tähän mennessä rakennetut nopeimmat nanolanka-bolometrit.

Tähän tutkimukseen osallistui myös yhdysvaltain armeijan tutkimuslaitos ja heidän mukaa parempi mikroaaltosäteilyn havaitseminen mahdollistaa myös paremman elektronisen sodankäynnin, radioviestinnän ja tutkan. Samalla se varmistaa, että Yhdysvaltain armeija voi ylläpitää spektristä valta-asemaa lähitulevaisuudessa.

ICFO:n professori Dmitri Efetov kommentoi, että tällainen menettely avaa myös aivan uudet mahdollisuudet kvanttiantureille kvanttilaskennassa ja kvanttiviestinnässä.

Samaan aikaan ryhmä VTT:n ja Aalto-yliopiston fyysikoita on kehittänyt grafeeniin perustuvan ilmaisimen energiakvanttien mittaamiseen ennennäkemättömällä tarkkuudella.

Tieteellisesti ilmaisten heidän tutkimus käsittelee bolometriä, joka toimii piirikvanttielektrodynamiikan kynnyksellä ja tähtäimenä on ollut nimenomaan kubittien energian mittaaminen. Siten löytö voisi auttaa tuomaan kvanttilaskennan laboratoriosta todellisiin sovelluksiin.

Professori Mikko Möttösen tutkimusryhmä Aalto-yliopistossa on tutkinut herkkiä bolometrejä jo vuosikymmenen ajan. Aiemmin he rakensivat bolometrin kultapalladiumista. Se oli kuitenkin liian hidas kvanttitietokoneiden kubittien mittaamiseen.

Nyt grafeenista valmistetusta bolometristä tuli sata kertaa nopeampi. Näiden alustavien tulosten jälkeen tutkijat uskovat voivansa tehdä vielä paljon optimointia ilmaisimen parantamiseksi.

Kubittien energian mittaaminen on olennainen osa kvanttitietokoneiden toimintaa. Nykyisin useimmat kvanttitietokoneet määrittävät kubitin energiatilan mittaamalla sen jännitettä. Siihen vaaditaan kuitenkin suuria vahvistinpiirejä, jotka rajoittavat ratkaisun hyödyntämistä suuremmassa mittakaavassa. Lisäksi vahvistin kuluttaa paljon energiaa ja jännitemittaukset sisältävät kvanttikohinaa, mikä aiheuttaa mittausvirheitä.

Grafeenin lämmönvarauskyky on alhainen, ja sen vuoksi grafeenista valmistettu terminen eli lämpöä mittaava säteilyilmaisin havaitsee hyvin pienet energianmuutokset nopeasti, alle mikrosekunnissa. Tutkijatohtori Antti Laitisen valmistama grafeenipala on lisäksi niin pieni, että se mahtuisi yksittäisen bakteerin sisään. Suurempi kuva

Aiheista aiemmin:

Ultraherkkä infrapunailmaisin

Tarkempaa kubittien mittausta