革命性的新探测器由石墨烯制成,用于下一代THz天文学[视频]

用石墨烯的Terahertz外差检测示意图

图像描绘了用石墨烯的Terahertz(Thz)外差检测的示意图。在此,两个THz波(红色)耦合到石墨烯中,在那里它们被组合或混合。其中一个波是由本地THz光源(即本地振荡器)产生的高强度信号,以已知的THz频率。另一个信号是模拟来自空间的波浪的微弱的thz波。信誉:汉斯他

研究人员research-intensive university located in Gothenburg, Sweden that was founded in 1829 following a donation by William Chalmers, a director of the Swedish East India Company. It focuses on technology, science, architecture, and shipping." class="glossaryLink ">查尔摩工业大学已经展示了一种探测器石墨烯.这可以彻底改变下一代空间望远镜中使用的传感器。最近在科学期刊上发表了调查结果自然天文学

除超导体之外,还有很少的材料可以满足对天文学进行超敏感和快速太赫兹(THz)探测器所需的要求。Chalmers研究人员表明,工程石墨烯为THz外差检测添加了一种新的材料范例。

“石墨烯可能是唯一已知的材料,即使在没有电子时,即使在没有电子的情况下,即使在没有电子时,唯一的已知材料也仍然是电/热量的优异导体。通过在其表面上组装电子接受分子,我们已经达到了石墨烯的近零电子场景,也称为Dirac点。我们的研究结果表明,据纸张普通设备物理实验室和纸张铅作者的助理教授说,石墨烯是掺杂到Dirac Point的外差检测的良好材料。

Samuel Lara Avila.

“石墨烯可能是唯一已知的材料,即使在没有电子时,即使在没有电子的情况下,即使在没有电子时,唯一的已知材料也仍然是电/热量的优异导体。通过在其表面上组装电子接受分子,我们已经达到了石墨烯的近零电子场景,也称为Dirac点。我们的研究结果表明,据纸张普通设备物理实验室和纸张铅作者的助理教授说,石墨烯是掺杂到Dirac Point的外差检测的良好材料。信用:J O YXELL / CHALMERS

详细地,实验示范涉及外差检测,其中使用石墨烯组合或混合两种信号。一个信号是由本地源(即本地振荡器)产生的已知THz频率的高强度波。第二个是模仿来自空间的波浪的微弱的THz信号。Graphene混合了这些信号,然后在低得多的Gigahertz(GHz)频率下产生输出波,称为中频,可以用标准低噪声Gigahertz电子分析。中频可以越高,检测器的越高的带宽具有,需要精确地识别天体内部的动作。

Sergey Cherednichenko,Terahertz和毫米波实验室和本文共同作者的教授:

“根据我们的理论模型,该石墨烯THz检测器具有促进重要的1-5 ZHz光谱范围的量子有限的操作。此外,带宽可能超过20 GHz,大于5 GHz,最先进的技术必须提供。“

这是具有电荷中性外延石墨烯的THz波检测的实验证明。

图石墨烯THz检测器的另一个关键方面是本地振荡器实现了可信赖的微弱THz信号检测的极低功率,几乎没有比超导体所需的数量级。这可以使Quantum-Limited THz连贯的探测器阵列,从而为宇宙的3D成像打开门。

埃尔维尔德贝克,天文学家在空间,地球和环境中没有参与研究,解释了对实际天文学的可能影响:

“这种基于石墨烯的技术对未来的空间任务具有巨大潜力,旨在为例如:揭示水,碳,氧气和生命本身如何来到地球上。在太赫兹频率的量子限制的轻量级电力有效的3D成像仪对于这种雄心勃勃的任务至关重要。但是,此刻,THz 3D成像仪根本无法使用“。

Sergey Kubatkin,Quantum Device Physics实验室和本文共同作者的教授,解释说:

“THz检测器的核心是石墨烯和分子组件的系统。这本身就是一种新型复合2D材料,从基本的角度来看,这是深入的调查,因为它显示了量子机械效应所治理的全新的充电/热量制度。“

事实:

基于外差技术的天文学家诉诸相干探测器,研究水,碳,氧气和许多源自宇宙中最偏远地区的许多物种的指纹。相干的THz探测器应该理想地具有:高灵敏度,以检测微弱的宇宙信号;大带宽,准确识别天体内的动作;和低当地振荡器电源要求,以实现许多像素的有效运行。

用于THz频率(0.1-10thz)的天文外差观察由超导装置支配。尽管所有的设计和优化努力,超导体的一些内在材料特性使其具有挑战性,同时满足所有严格的要求(灵敏度,带宽,低本地振荡器电源),以构建能够成像大部分的大部分的THZ外差探测器阵列所需的所有严格要求宇宙。

研究人员参与其中:

萨米尔·拉拉维拉,谢尔盖德·阿维拉和谢尔盖·库博金旁边,几个查尔莫斯研究人员都参与了该研究,并是本文的共同作者:安德烈·达尼西洛夫,高级研究员,汉斯,博士生,博士,博登,佛罗里亚州Lombardi,教授和Thilo Bauch,副教授。合作共同作者是Dmitry Golubev,Aalto大学,芬兰和Rositsa Yakimova的研究员,Linköping大学皇家大学教授。

The research was supported by the Swedish Foundation for Strategic Research (SSF), Knut and Alice Wallenberg Foundation, Chalmers Excellence Initiative Nano, the Swedish Research Council (VR), the Korea-Sweden Research Cooperation of the NRF, and the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme.

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参考: ”朝着电荷中性石墨烯中的太赫兹波的量子限制相干检测“由S. Lara-Avila,A. Danilov,D.Golubev,H.H.H.Kim,R. Yakimova,F. Lombardi,T. Bauch,S. Cherednichenko和S. Cherednichenko和S. Kubatkin,2019年8月5日,自然天文学
DOI:10.1038 / s41550-019-0843-7

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