초고감도 그래핀 마이크로파 광자 센서 개발

현재 상용 센서보다 10만 배 더 높은 감도를 가진 마이크로파 방사 센서가 개발되었다. 이 볼로미터는 그래핀이 마이크로파 방사에 보이는 거대한 열적 반응을 이용해 제작되었다. 마이크로파 볼로미터는 자연계 최소 에너지 단위인 단일 마이크로파 광자 검출이 가능하다.

그래핀 볼로미터 센서는 광자가 센서에 흡수되면서 온도 상승을 측정해 전자기 복사를 감지한다. 그래핀은 2차원 단일 원자층 두께 물질이다. 연구팀은 마이크로파 안테나에 그래핀을 통합해 높은 볼로미터 감도를 달성했다.

이 발전의 핵심 혁신은 초전도 조셉슨 접합(Josephson junction)으로 온도 상승을 측정하면서 안테나를 통해 그래핀으로 높은 마이크로파 복사 결합을 유지하는 것이다. 결합 효율은 고감도 검출에 필수적이다. 조셉슨 접합은 장벽(얇은 절연 터널 장벽, 일반 금속, 반도체, 강자성체 등)으로 분리된 두 초전도 전극으로 만들어진 양자역학적 장치다.

얇은 것 외에도 그래핀 전자들은 원자가와 전도대가 디랙 포인트(Dirac point)라 불리는 한 점에서만 만나는 매우 특수한 밴드 구조를 가진다. 그곳에서 상태 밀도는 사라지며, 전자가 광자 에너지를 받으면 온도 상승은 크지만 열 누설은 작다.

볼로미터 검출기 감도 향상으로 이 연구는 레이더, 야간 투시, 라이다(LiDAR), 통신 등 전자기 신호 검출 시스템 성능을 개선하는 새로운 경로를 열었다. 양자 정보 과학, 열화상, 암흑 물질 탐색 등 새로운 응용도 가능해질 수 있다.