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瑞典研发出革命性石墨烯探测器,助力下一代太赫兹天文学

发布:opticseditor    |    2019-09-23 15:04    阅读:506
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据麦姆斯咨询报道,来自瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的研究人员展示了一种由石墨烯制成的探测器,或能彻底革新下一代太空望远镜中的传感器。该研究最近发表在Nature Astronomy杂志上,论文地址为:https://www.nature.com/articles/s41550-019-0843-7。


该图为使用石墨烯实现太赫兹(THz)外差探测的原理图。图中,将两种太赫兹波(图中红色部分)射入石墨烯,然后在石墨烯中结合或混合。其中一种是由本地太赫兹辐射源(即本地振荡器)产生的已知太赫兹频率的高强度波。另一种是微弱的太赫兹波,以模拟来自太空的辐射波。(图片来源:Hans He)

除超导体外,很少有材料能够满足制造超灵敏、快速太赫兹天文探测器的要求。查尔姆斯理工大学的研究人员已证明,这种工程石墨烯为太赫兹外差探测增添了一种新材料范例。

查尔姆斯理工大学量子器件物理实验室助理教授、本研究第一作者Samuel Lara-Avila表示:“石墨烯可能是目前已知的唯一一种即使在没有电子的情况下仍能有效导电/导热的材料。通过在石墨烯表面聚集可接受电子的分子,我们已在石墨烯中实现了接近零电子的状态,也称为狄拉克点(Dirac point)。我们的研究结果表明,狄拉克点掺杂石墨烯是一种非常好的太赫兹外差探测材料。”


查尔姆斯理工大学的Samuel Lara-Avila

具体来说,研究中涉及外差探测,即使用石墨烯将两种太赫兹波结合或混合。其中一种是由本地太赫兹辐射源(即本地振荡器)产生的已知太赫兹频率的高强度波。另一种是微弱的太赫兹波,以模拟来自太空的波。石墨烯将这些太赫兹波混合在一起,然后产生一种更低的千兆赫(GHz)频率的输出波,通常称为“中频(intermediate frequency)”,中频可使用标准低噪声千兆赫电子器件进行分析。中频越高,探测器的带宽就越宽,以达到精确识别天体内部运动的目的。

查尔姆斯理工大学太赫兹和毫米波实验室教授、本研究共同作者Sergey Cherednichenko表示:“根据我们的理论模型,这种石墨烯太赫兹探测器有可能在重要的1-5太赫兹光谱范围内达到量子限制工作状态。此外,该探测器带宽可超过20GHz,比目前最先进的技术所能提供的5GHz还要高。”

石墨烯太赫兹探测器的另一个关键问题在于,本地振荡器为实现可靠探测微弱太赫兹信号所需的功耗极低,比超导体所需的还要低几个数量级。这将使量子限制的太赫兹相干探测器阵列成为可能,从而为宇宙的3D成像打开大门。

查尔姆斯理工大学空间、地球及环境部的天文学家Elvire De Beck并未参与此项研究,他解释了该研究对实用天文学的潜在影响:“这种基于石墨烯的技术在未来的太空任务中有着巨大的潜力,旨在揭示水、碳、氧和生命本身如何来到地球。一款可在太赫兹频率达到量子限制的轻量级且高能效的3D成像仪,对于完成这些雄心勃勃的太空任务来说至关重要。但目前,太赫兹3D成像仪还无法使用。”

查尔姆斯理工大学量子器件物理实验室教授、本研究共同作者Sergey Kubatkin解释道:“太赫兹探测器的核心是石墨烯与可接受电子的分子所集成的系统。这本身就是一种新型2D复合材料,从基础理论的角度来说,该材料值得进行更深入的研究,因为它展示了由量子力学效应驱动的全新电荷/热的传输机制。”

来源:麦姆斯咨询

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