用于下一代太赫兹天文学的由石墨烯制成的革命性新型探测器[视频]

该图像描绘了使用石墨烯进行太赫兹（THz）外差检测的示意图。在这种情况下，两个太赫兹波（红色）耦合到石墨烯中，在此处它们被组合或混合。这些波之一是由本地THz光源（即本地振荡器）以已知的THz频率生成的高强度信号。另一个信号是微弱的太赫兹波，模仿了来自太空的波。

查尔默斯工业大学的研究人员展示了一种由石墨烯制成的探测器，该探测器可以彻底改变下一代太空望远镜中使用的传感器。这些发现最近发表在科学杂志《自然天文学》上。

除超导体外，几乎没有任何材料可以满足制造超灵敏和快速太赫兹（THz）天文学探测器所需的要求。查默斯（Chalmers）研究人员表明，工程石墨烯为太赫兹外差检测增加了新的材料范例。

“石墨烯可能是唯一已知的材料，即使实际上没有电子，石墨烯仍然是优良的电/热导体。通过在石墨烯的表面上组装电子接受分子，我们已经达到了石墨烯中接近零电子的情况，也称为狄拉克点。我们的结果表明，当掺杂到狄拉克点时，石墨烯是太赫兹外差检测的极好材料。”量子器件物理实验室助理教授，论文的主要作者塞缪尔·拉拉·阿维拉说。

“石墨烯可能是唯一已知的材料，即使实际上没有电子，石墨烯也能保持优良的电/热导体。通过在石墨烯的表面上组装电子接受分子，我们已经达到了石墨烯中接近零电子的情况，也称为狄拉克点。我们的结果表明，当掺杂到狄拉克点时，石墨烯是太赫兹外差检测的极好材料。

详细地，实验演示涉及外差检测，其中使用石墨烯将两个信号组合或混合。一个信号是由本地信号源（即本地振荡器）产生的已知THz频率的高强度波。第二个是微弱的太赫兹信号，模仿来自太空的波。石墨烯混合这些信号，然后产生一个更低的千兆赫兹（GHz）频率（称为中频）的输出波，可以使用标准的低噪声千兆赫兹电子设备进行分析。中频越高，据说检测器具有的准确识别天体内部运动所需的带宽就越高。

太赫兹与毫米波实验室的教授，该论文的合著者谢尔盖·谢雷德尼琴科（Sergey Cherednichenko）说：

根据我们的理论模型，该石墨烯太赫兹检测器有可能在重要的1-5 THz光谱范围内达到量子限制的运行。而且，带宽可以超过20 GHz，大于最新技术必须提供的5 GHz。”

这是使用电荷中性外延石墨烯检测太赫兹波的实验演示。

石墨烯太赫兹检测器的另一个关键方面是本地振荡器实现可靠的微弱太赫兹信号检测所需的极低功率，比超导体所需的功率低几个数量级。这可以启用量子受限的THz相干探测器阵列，从而为宇宙的3D成像打开了大门。

太空，地球与环境系的天文学家Elvire De Beck没有参加这项研究，他解释了对实际天文学的可能含义：

“基于石墨烯的技术对于未来的太空飞行任务具有巨大的潜力，例如揭示水，碳，氧气和生命本身是如何进入地球的。在太赫兹频率上受量子限制的轻巧，节能的3D成像仪对于此类雄心勃勃的任务至关重要。但是，目前，太赫兹3D成像仪根本无法使用”。

量子设备物理实验室教授，论文的合著者谢尔盖·库巴特金（Sergey Kubatkin）解释说：

太赫兹探测器的核心是石墨烯和分子组装系统。这本身就是一种新颖的复合2D材料，从根本上来说，值得我们进行更深入的研究，因为它显示出受量子力学效应控制的全新的电荷/热传输机制。

事实：

天文学家采用基于外差技术的相干探测器来研究水，碳，氧和其他来自宇宙最偏远地区的物种的指纹。理想情况下，相干太赫兹检测器应具有：高灵敏度，可检测微弱的宇宙信号；大带宽，可准确识别天体内部的运动；和较低的本地振荡器功率要求，以实现许多像素的高效运行。

超导设备主导了太赫兹频率（0.1-10THz）的天文学外差观测。尽管进行了所有设计和优化工作，但超导体的某些固有材料特性使其难以同时满足构建THz外差检测器阵列所需的所有严格要求（灵敏度，带宽，低本地振荡器功率），从而能够对大部分的THz外差探测器阵列进行成像。太赫兹宇宙。

研究人员涉及：

除了塞缪尔·拉拉·阿维拉（Samuel Lara-Avila），谢尔盖·切雷迪尼琴科（Sergey Cherednichenko）和谢尔盖·库巴特金（Sergey Kubatkin）之外，一些查默斯（Chalmers）研究人员也参与了这项研究，并且是该论文的合著者：高级研究员Andrey Danilov，博士研究生Hans He，博士后Kyung Ho Kim，教授Floriana Lombardi和副教授Thilo Bauch。合作的共同作者是芬兰阿尔托大学的研究员Dmitry Golubev和林雪平大学的名誉教授Rositsa Yakimova。

这项研究得到了瑞典战略研究基金会（SSF），克努特和爱丽丝·沃伦伯格基金会，查尔默斯卓越计划Nano，瑞典研究委员会（VR），NRF的韩瑞研究合作以及欧盟的Horizo​​n 2020的支持。研究与创新计划。

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参考：S. Lara-Avila，A。Danilov，D。Golubev，H。He，KH Kim，R。Yakimova，F。Lombardi，T。Bauch，“在电荷中性石墨烯中太赫兹波的量子受限相干检测”，谢里德尼琴科（S. Cherednichenko）和库巴特金（S. Kubatkin），2019年8月5日，自然天文学。
10.1038 / s41550-019-0843-7