查爾姆斯理工大學(xué)研究人員開發(fā)了一種由石墨烯制成的探測器，這種探測器可以徹底改變下一代空間望遠(yuǎn)鏡中使用的傳感器。這一研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊上。除了超導(dǎo)體之外，很少有材料能夠滿足制造天文用途的超靈敏和快速太赫茲(THz)探測器所需的要求。

Chalmers研究人員已經(jīng)證明，工程石墨烯為THz外差檢測增加了一種新的材料范例。石墨烯可能是唯一已知即使有效地沒有電子也仍然是電/熱的優(yōu)秀導(dǎo)體材料。

量子器件物理實(shí)驗(yàn)室助理教授、該論文的主要作者Samuel Lara-Avila說：通過在石墨烯表面組裝接受電子的分子，我們已經(jīng)在石墨烯(也稱為Dirac點(diǎn))中達(dá)到了接近零電子的情況，結(jié)果表明，當(dāng)摻雜到Dirac點(diǎn)時(shí)，石墨烯是一種非常好的THz外差檢測材料。實(shí)驗(yàn)演示涉及外差檢測，其中使用石墨烯將兩個(gè)信號(hào)組合或混合。一個(gè)信號(hào)是由本地源(即本地振蕩器)生成具有已知THz頻率的高強(qiáng)度波。第二個(gè)是一個(gè)微弱的THz信號(hào)，模擬來自太空的波。

石墨烯將這些信號(hào)混合，然后產(chǎn)生一個(gè)低得多的吉赫茲(GHz)頻率的輸出波，稱為中頻，可以用標(biāo)準(zhǔn)的低噪聲吉赫茲電子學(xué)進(jìn)行分析。中頻越高，探測器的帶寬就越高，需要準(zhǔn)確識(shí)別天體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。太赫茲和毫米波實(shí)驗(yàn)室教授、這篇論文的合著者Sergey Cherednichenko說：根據(jù)理論模型，這種石墨烯THz探測器有可能在重要的1-5THz光譜范圍內(nèi)達(dá)到量子限制操作。此外，帶寬可以超過20 GHz，大于先進(jìn)技術(shù)所能提供的5 GHz。

石墨烯THz檢測器另一個(gè)關(guān)鍵方面是：本地振蕩器實(shí)現(xiàn)微弱THz信號(hào)的可靠檢測所需的極低功率，比超導(dǎo)體所需的低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這可以實(shí)現(xiàn)量子限制的THz相干探測器陣列，因此打開了宇宙三維成像的大門?？臻g、地球和環(huán)境部的天文學(xué)家Elvire de Beck解釋了這一可能對(duì)實(shí)際天文學(xué)的影響：這種基于石墨烯的技術(shù)對(duì)于未來旨在揭示水、碳、氧和生命本身是如何來到地球的太空任務(wù)具有巨大潛力。

對(duì)于這些雄心勃勃的任務(wù)來說，一種輕量級(jí)、節(jié)能的、在太赫茲頻率下量子受限的3-D成像儀至關(guān)重要。但目前，THz三維成像儀根本無法使用。合著者，量子器件物理實(shí)驗(yàn)室的教授Sergey Kubatkin解釋說：THz探測器的核心是石墨烯和分子組裝系統(tǒng)。這本身就是一種新穎的復(fù)合2D材料，值得從根本角度進(jìn)行更深入的研究，因?yàn)樗故玖艘环N由量子力學(xué)效應(yīng)控制的全新電荷/熱傳輸機(jī)制。

博科園｜研究/來自：查爾姆斯理工大學(xué)

參考期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-019-0843-7

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