Grafen sætter scenen for den næste generation af THz astronomi-detektorer

Forskere fra Chalmers University of Technology har demonstreret en detektor lavet af grafen, der kan revolutionere de sensorer, der bruges i næste generations rumteleskoper. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur astronomi .

Ud over superledere, der er få materialer, der kan opfylde kravene til fremstilling af ultrafølsomme og hurtige terahertz (THz) detektorer til astronomi. Chalmers-forskere har vist, at konstrueret grafen tilføjer et nyt materialeparadigme til THz-heterodyn-detektion.

"Graphen er muligvis det eneste kendte materiale, der forbliver en fremragende leder af elektricitet/varme, selv når det har, effektivt, ingen elektroner. Vi har nået et næsten nul-elektronscenarie i grafen, også kaldet Dirac point, ved at samle elektron-accepterende molekyler på dens overflade. Vores resultater viser, at grafen er et usædvanligt godt materiale til THz heterodyne detektion, når det dopes til Dirac-punktet, " siger Samuel Lara-Avila, adjunkt ved Quantum Device Physics Laboratory og hovedforfatter af papiret.

Den eksperimentelle demonstration involverer heterodyne detektion, hvor to signaler kombineres, eller blandet, ved hjælp af grafen. Et signal er en højintensitetsbølge ved en kendt THz-frekvens, genereret af en lokal kilde (dvs. en lokal oscillator). Det andet er et svagt THz-signal, der efterligner bølgerne, der kommer fra rummet. Grafen blander disse signaler og producerer derefter en udgangsbølge ved en meget lavere gigahertz (GHz) frekvens, kaldet mellemfrekvensen, der kan analyseres med standard støjsvag gigahertz-elektronik. Jo højere mellemfrekvensen kan være, jo højere båndbredde siges detektoren at have, kræves for nøjagtigt at identificere bevægelser inde i de himmelske objekter.

Sergey Cherednichenko, professor ved Terahertz and Millimeter Wave Laboratory og medforfatter til papiret, siger, "Ifølge vores teoretiske model, denne grafen THz detektor har et potentiale til at nå kvantebegrænset drift for det vigtige 1-5 THz spektralområde. I øvrigt, båndbredden kan overstige 20 GHz, større end 5 GHz, som den nyeste avancerede teknologi har at tilbyde."

Et andet afgørende aspekt for grafen THz-detektoren er den ekstremt lave effekt, der er nødvendig for den lokale oscillator for at opnå en pålidelig detektering af svage THz-signaler, få størrelsesordener lavere end superledere kræver. Dette kunne muliggøre kvantebegrænsede THz kohærente detektorarrays, dermed åbner døren til 3-D billeddannelse af universet.

Elvire De Beck, astronom ved Department of Space, Jord og miljø, som ikke deltog i undersøgelsen, forklarer de mulige implikationer for praktisk astronomi:"Denne grafenbaserede teknologi har et enormt potentiale for fremtidige rummissioner, der har til formål at afsløre, hvordan vand, kulstof, ilt og selve livet kom til Jorden. En letvægter, krafteffektive 3-D imager, der er kvantebegrænset ved terahertz-frekvenser, er afgørende for sådanne ambitiøse opgaver. Men i øjeblikket, THz 3-D-billedapparater er simpelthen ikke tilgængelige."

Sergey Kubatkin, professor ved Quantum Device Physics Laboratory og medforfatter til papiret, forklarer:"Kernen i THz-detektoren er systemet af grafen og molekylære samlinger. Dette er i sig selv et nyt sammensat 2-D-materiale, der fortjener en dybere undersøgelse fra et grundlæggende synspunkt, da det viser et helt nyt regime for ladning/varmetransport styret af kvantemekaniske effekter."