麻省理工改良热辐射传感器灵敏度提高几个数量级

热辐射传感器是一种通过加热方式来监测材料电磁辐射情况的设备,被天文学家和房产商们广为使用,但是大多数此类设备的带宽有限,必须在超低温下运行,这使检测灵敏度和使用成本始终达不到理想值。Efetov说:“在那里,我们的探测器可能是一个最先进的系统,可以观察到这些难以捉摸的光线。我们的设备可能对观察超长波长的宇宙背景辐射很有用。”


但现在,麻省理工学院的科学家研发出一种可以代替它的廉价热传感器,在保证超高速测量的前提下,测试敏感度不但提高了几个数量级,而且还突破传统禁锢,可在室温下使用。


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参与这项工作的主要研究人员Englund教授说:“我们是第一个首先使用石墨烯材料制备新型高效热辐射传感器的团队,我们的新设备非常灵敏,比传统测辐射热计高出几个数量级。而且响应速度非常高,能以皮秒(十亿分之一秒)读取读数,这些特性之前是想都不敢想的。我们相信,我们的工作打开了新型高效热辐射传感器发展的大门。”他们的研究成果以论文形式发表在《Nature Nanotechnology》期刊上,论文标题为"Fast thermal relaxation in cavity-coupled graphene bolometers with a Johnson noise read-out"(用在纳米腔内耦合的石墨烯辐射热测量仪实现热弛豫的高速精确测量)


他们的设备与传统的热辐射传感器完全不同,后者通常使用金属来吸收辐射并测量金属温度因此产生的升高值。但他们却反其道而行之,他们直接加热石墨烯中的电子,使其自由移动形成自由电子。然后将石墨烯与光子纳米腔的器件耦合,放大辐射的吸收情况。


他们在实验室里尝试过用新热辐射传感器测量传入电磁辐射光子携带的总能量,发现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,不管这种辐射是来自遥远的星系,还是来自从隔热差的房屋里逃离出的红外热浪,都可以一并测量。


另一名来自格拉斯哥大学的光子学教授Robert Hadfield也说:“目前我们对高灵敏度的红外探测技术有着巨大的需求。Efetov教授和他的同事们研发出的这种集成在光子晶体腔内的石墨烯辐射热测量仪,实现了如此高灵敏度的探测,真是意义重大。”


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