本文參加百家號科學#了不起的前沿科技#系列徵文
查爾姆斯理工大學研究人員開發了一種由石墨烯製成的探測器，這種探測器可以徹底改變下一代空間望遠鏡中使用的傳感器。這一研究發現發表在《自然天文學》期刊上。除了超導體之外，很少有材料能夠滿足製造天文用途的超靈敏和快速太赫茲(THz)探測器所需的要求。Chalmers研究人員已經證明，工程石墨烯為THz外差檢測增加了一種新的材料範例。石墨烯可能是唯一已知即使有效地沒有電子也仍然是電/熱的優秀導體材料。
量子器件物理實驗室助理教授、該論文的主要作者Samuel Lara-Avila說：通過在石墨烯表面組裝接受電子的分子，我們已經在石墨烯(也稱為Dirac點)中達到了接近零電子的情況，結果表明，當摻雜到Dirac點時，石墨烯是一種非常好的THz外差檢測材料。實驗演示涉及外差檢測，其中使用石墨烯將兩個信號組合或混合。一個信號是由本地源(即本地振蕩器)生成具有已知THz頻率的高強度波。第二個是一個微弱的THz信號，模擬來自太空的波。
石墨烯將這些信號混合，然後產生一個低得多的吉赫茲(GHz)頻率的輸出波，稱為中頻，可以用標準的低噪聲吉赫茲電子學進行分析。中頻越高，探測器的帶寬就越高，需要準確識別天體內部的運動。太赫茲和毫米波實驗室教授、這篇論文的合著者Sergey Cherednichenko說：根據理論模型，這種石墨烯THz探測器有可能在重要的1-5THz光譜範圍內達到量子限制操作。此外，帶寬可以超過20 GHz，大於先進技術所能提供的5 GHz。
石墨烯THz檢測器另一個關鍵方面是：本地振蕩器實現微弱THz信號的可靠檢測所需的極低功率，比超導體所需的低幾個數量級。這可以實現量子限制的THz相干探測器陣列，因此打開了宇宙三維成像的大門。空間、地球和環境部的天文學家Elvire de Beck解釋了這一可能對實際天文學的影響：這種基於石墨烯的技術對於未來旨在揭示水、碳、氧和生命本身是如何來到地球的太空任務具有巨大潛力。
對於這些雄心勃勃的任務來說，一種輕量級、節能的、在太赫茲頻率下量子受限的3-D成像儀至關重要。但目前，THz三維成像儀根本無法使用。合著者，量子器件物理實驗室的教授Sergey Kubatkin解釋說：THz探測器的核心是石墨烯和分子組裝系統。這本身就是一種新穎的複合2D材料，值得從根本角度進行更深入的研究，因為它展示了一種由量子力學效應控制的全新電荷/熱傳輸機制。
博科園｜研究/來自：查爾姆斯理工大學參考期刊《自然天文學》DOI: 10.1038/s41550-019-0843-7博科園｜科學、科技、科研、科普