| 내용 |
미국 하버드 대학(Harvard University), 레이시언 BBN 테크놀로지(Raytheon BBN Technologies), MIT, 일본 NIMS(National Institute for Material Sciences)의 연구진은 초고감도와 빠른 응답 시간을 가지면서 마이크로파 광자를 감지할 수 있는 그래핀 기반의 새로운 볼로미터(bolometer)를 개발했다.볼로미터는 재료의 가열을 통한 입사 전자기 방사선의 양을 측정하는 장치이다. 이러한 기기는 적외선 방사선을 검출하는데 사용되는 감지기 중의 하나이다. 이것은 첨단 열화상 장비, 야간 투시경, 적외선 분광기에서부터 관측용 천문장비까지 다양한 분야에 적용되고 있다.볼로미터는 특정 범위의 방사선을 감지할 수 있는 우수한 센서이라고 이미 입증되었지만 고감도, 빠른 응답 시간, 강한 빛의 흡수를 하지 못하는 문제점이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하고 검출기의 크기를 줄이려는 많은 연구가 진행되었고, 그래핀이 이것을 수행할 수 있는 훌륭한 후보 물질이라는 것이 발견되었다.이번 연구진은 두 층의 초전도 물질 사이에 한 층의 그래핀을 삽입해서 조셉슨 접합(Josephson junction)을 만들었다. 그 후에 마이크로파 공진기를 부착하여 마이크로파 광자를 생성하고 광자가 장치를 통해 전달되도록 했다. 이번 연구진은 단일 32Ghz 광자에 해당하는 매우 낮은 에너지 해상도로 단일 광자를 감지할 수 있었고, 이것은 지금까지 만들어진 가장 빠른 나노와이어 볼로미터보다 100,000배 더 빠른 감지 능력이다.두 개의 초전도 물질 사이에 그래핀 층을 삽입하여 조셉슨 접합을 형성하면 단일 광자 검출기 장치를 만들 수 있다. 광자가 없는 저온의 경우에, 장치를 통해서 초전도 전류가 흐른다. 단일 적외선 광자가 검출기를 통과할 때 생성되는 열은 그래핀의 온도를 높이고, 이로 인해서 조셉슨 접합을 변경하여 초전도 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서 전류를 측정하여 장치를 통과하는 광자를 실제로 감지할 수 있다. 이것은 그래핀이 무시할 수 있을 정도의 전자 열용량(electronic heat capacity)을 가지고 있기 때문이다. 즉, 물처럼 열을 보유하는 물질과는 달리 그래핀의 경우에 단일 저에너지 광자가 초전도 전류를 차단할 수 있을 정도로 검출기를 가열할 수 있고, 빠르게 소멸할 수 있기 때문에 매우 빠른 응답 시간과 고감도가 가능하다.이 연구결과는 볼로미터 분야의 발전에 매우 큰 기여를 할 것이다. 그래핀은 적외선 감지 및 이미징에 이상적인 재료라는 것이 다시 한 번 입증되었고 더 높은 파장의 마이크로파까지 감지할 수 있다는 것도 입증되었다. 이것은 초고감도와 초고속 판독 시간이 필요한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 또한 양자 계산 및 양자 통신을 위한 양자 센서의 개발을 위한 완전히 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. |
