Bolometri al grafene per vedere le microonde

Rappresentazione schematica del nuovo bolometro. Il cuore in grafene (G) è incapsulato nel nitruro di boro esagonale (hBN). Crediti: Massachusetts Institute of Technology

Ogni banda dello spettro elettromagnetico ha i suoi rivelatori d’elezione. Per la luce visibile, per esempio, funzionano a meraviglia i coni e i bastoncelli che abbiamo sulla retina, straordinari fotorecettori in grado di tradurre i fotoni in sinapsi. Ma non se la cavano male nemmeno ccd e cmos, i pixel delle fotocamere digitali, che convertono la luce in segnali elettrici. Per radiazioni più intense, come i raggi X e gamma, abbiamo scintillatori e rivelatori a semiconduttore. Per quelle meno intense, come le onde radio, usiamo le antenne. E per quelle onde a metà strada fra radio e luce visibile, come le microonde e la radiazione infrarossa? Quelle alla quale ci arriva, per esempio, la radiazione cosmica di fondo emessa poche centinaia di migliaia di anni dopo il big bang, la cosiddetta luce fossile? Fra i dispositivi più adatti a “sentire” e “tradurre” questa porzione di spettro elettromagnetico ci sono i cosiddetti bolometri: materiali in grado di assorbire la radiazione e di trasformarla in calore, così da poter leggere il risultato con i termometri. Ed è proprio sul tipo di materiale utilizzato che uno studio appena pubblicato su Nature Nanotechnology annuncia una novità promettente: non più atomi ma un gas di elettroni.

«Riteniamo che il nostro lavoro apra la porta a nuovi tipi di bolometri basati su materiali a bassa dimensionalità», dice l’autore che ha guidato lo studio, Dirk Englund del Mit. Il materiale a “bassa dimensionalità” al quale si riferisce è anzitutto il grafene, un foglio di carbonio così sottile da essere quanto più si avvicina alle due dimensioni. Ed è su un piccolo foglio di grafene – accoppiato a un dispositivo chiamato nanocavità fotonica che amplifica l’assorbimento della radiazione – che gli elettroni, scaldandosi e raffreddandosi in base alle variazioni del flusso di fotoni in arrivo, permettono di raggiungere in un singolo dispositivo – affermano i ricercatori del team di Englund – un’elevata sensibilità e una notevole ampiezza di banda, assai superiori rispetto ai bolometri convenzionali.

Ma c’è di più. Al contrario dei bolometri tradizionali, che richiedono temperature criogeniche, quelli al grafene possono funzionare bene anche a temperatura ambiente, se le prestazioni richieste non sono troppo spinte. Il che significa costi enormemente più contenuti. Infine, c’è la velocità, che nei nuovi bolometri pare sia straordinariaa: il tempo richiesto per una lettura è di appena qualche picosecondo (un trilionesimo di secondo).

Insomma: funzionano anche a temperatura ambiente, sono rapidissimi e hanno pure una notevole larghezza di banda. Proprio nessun difetto? Media Inaf lo ha chiesto a uno fra i massimi esperti al mondo di tecnologie bolometriche per la cosmologia, il fisico Paolo De Bernardis, professore alla Sapienza e responsabile dello storico esperimento su pallone Boomerang. «L’articolo è interessante e il sensore è estremamente veloce, ma la sensibilità (espressa in noise equivalent power) a 5 gradi kelvin non è eccezionale. A temperatura ambiente sarà peggio, quindi simile a quella dei sensori già disponibili», ci ha risposto lo scienziato dai cinque gradi sotto zero delle isole Svalbard, dove proprio in questi giorni sta mettendo a punto un altro esperimento su pallone, Olimpo. «Comunque è una tecnologia molto interessante e potrà essere migliorata in vista di applicazioni astrofisiche. Non mi spingerei ancora a promettere rivoluzioni, ma vedremo».

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Fonte: Bolometri al grafene per vedere le microonde