瑞典研發(fā)出革命性石墨烯探測(cè)器

　　【儀表網(wǎng) 儀表上游】據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來(lái)自瑞典查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的研究人員展示了一種由石墨烯制成的探測(cè)器，或能徹底革新下一代太空望遠(yuǎn)鏡中的傳感器。該研究近發(fā)表在Nature Astronomy雜志上，論文地址為：https://www.nature.com/articles/s41550-019-0843-7。
 

　　該圖為使用石墨烯實(shí)現(xiàn)太赫茲(THz)外差探測(cè)的原理圖。圖中，將兩種太赫茲波(圖中紅色部分)射入石墨烯，然后在石墨烯中結(jié)合或混合。其中一種是由本地太赫茲輻射源(即本地振蕩器)產(chǎn)生的已知太赫茲頻率的高強(qiáng)度波。另一種是微弱的太赫茲波，以模擬來(lái)自太空的輻射波。(圖片來(lái)源：Hans He)

 

查爾姆斯理工大學(xué)的Samuel Lara-Avila
 

　　除超導(dǎo)體外，很少有材料能夠滿足制造超靈敏、快速太赫茲天文探測(cè)器的要求。查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員已證明，這種工程石墨烯為太赫茲外差探測(cè)增添了一種新材料范例。
 

　　查爾姆斯理工大學(xué)量子器件物理實(shí)驗(yàn)室助理教授、本研究作者Samuel Lara-Avila表示：“石墨烯可能是目前已知的一種即使在沒(méi)有電子的情況下仍能有效導(dǎo)電/導(dǎo)熱的材料。通過(guò)在石墨烯表面聚集可接受電子的分子，我們已在石墨烯中實(shí)現(xiàn)了接近零電子的狀態(tài)，也稱為狄拉克點(diǎn)(Dirac point)。我們的研究結(jié)果表明，狄拉克點(diǎn)摻雜石墨烯是一種非常好的太赫茲外差探測(cè)材料。”
 

　　具體來(lái)說(shuō)，研究中涉及外差探測(cè)，即使用石墨烯將兩種太赫茲波結(jié)合或混合。其中一種是由本地太赫茲輻射源(即本地振蕩器)產(chǎn)生的已知太赫茲頻率的高強(qiáng)度波。另一種是微弱的太赫茲波，以模擬來(lái)自太空的波。石墨烯將這些太赫茲波混合在一起，然后產(chǎn)生一種更低的千兆赫(GHz)頻率的輸出波，通常稱為“中頻(intermediate frequency)”，中頻可使用標(biāo)準(zhǔn)低噪聲千兆赫電子器件進(jìn)行分析。中頻越高，探測(cè)器的帶寬就越寬，以達(dá)到識(shí)別天體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的目的。
 

　　查爾姆斯理工大學(xué)太赫茲和毫米波實(shí)驗(yàn)室教授、本研究共同作者Sergey Cherednichenko表示：“根據(jù)我們的理論模型，這種石墨烯太赫茲探測(cè)器有可能在重要的1-5太赫茲光譜范圍內(nèi)達(dá)到量子限制工作狀態(tài)。此外，該探測(cè)器帶寬可超過(guò)20GHz，比目前進(jìn)的技術(shù)所能提供的5GHz還要高。”
 

　　石墨烯太赫茲探測(cè)器的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于，本地振蕩器為實(shí)現(xiàn)可靠探測(cè)微弱太赫茲信號(hào)所需的功耗極低，比超導(dǎo)體所需的還要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這將使量子限制的太赫茲相干探測(cè)器陣列成為可能，從而為宇宙的3D成像打開大門。
 

　　查爾姆斯理工大學(xué)空間、地球及環(huán)境部的天文學(xué)家Elvire De Beck并未參與此項(xiàng)研究，他解釋了該研究對(duì)實(shí)用天文學(xué)的潛在影響：“這種基于石墨烯的技術(shù)在未來(lái)的太空任務(wù)中有著巨大的潛力，旨在揭示水、碳、氧和生命本身如何來(lái)到地球。一款可在太赫茲頻率達(dá)到量子限制的輕量級(jí)且高能效的3D成像儀，對(duì)于完成這些雄心勃勃的太空任務(wù)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。但目前，太赫茲3D成像儀還無(wú)法使用。”
 

　　查爾姆斯理工大學(xué)量子器件物理實(shí)驗(yàn)室教授、本研究共同作者Sergey Kubatkin解釋道：“太赫茲探測(cè)器的核心是石墨烯與可接受電子的分子所集成的系統(tǒng)。這本身就是一種新型2D復(fù)合材料，從基礎(chǔ)理論的角度來(lái)說(shuō)，該材料值得進(jìn)行更深入的研究，因?yàn)樗故玖擞闪孔恿W(xué)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的全新電荷/熱的傳輸機(jī)制。”
 

　　(原文標(biāo)題：瑞典研發(fā)出革命性石墨烯探測(cè)器，助力下一代太赫茲天文學(xué))