不愧是優秀材料！石墨烯將為下一代太赫茲天文探測器奠定基礎！

2020-10-18 博科園

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

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 石墨烯探測器利用等離子體波的幹涉揭示了太赫茲光的偏振
    資料來源:Daria Sokol/MIPT新聞辦公室物理學家已經基於石墨烯創造了太赫茲輻射的寬帶探測器。該設備在通信和下一代信息傳輸系統、安全和醫療設備方面具有應用潛力。這項研究發表在ACS納米快報上。新的探測器依靠等離子體波的幹擾。幹擾就是許多技術應用和日常現象的基礎。它決定了樂器的聲音，產生了肥皂泡中的彩虹顏色，以及許多其他效果。
  • 石墨烯太赫茲外差混頻探測器研究獲進展
    中國電子科技集團有限公司第十三研究所專用集成電路國家級重點實驗室與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、中國科學院納米器件與應用重點實驗室再次合作，在高靈敏度石墨烯場效應電晶體（G-FET）太赫茲自混頻（Homodyne mixing）探測器的基礎上，實現了外差混頻
  • 新型太赫茲器件實現探測器與光譜儀二合一
    據俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）官網近日報導，來自俄羅斯、英國、日本、義大利的科學家團隊，開發出了一種基於石墨烯的太赫茲探測器。新型器件既可充當靈敏的探測器，也可作為工作頻率在太赫茲範圍的光譜儀使用，可用於醫療研究與宇宙探索。
  • 使用石墨烯,金的材料系統來產生太赫茲波
    太赫茲有可能成為繼5G之後實現極端快速的移動通訊連接和無線網絡的最有前途的技術。在千兆赫茲到太赫茲頻率的轉變中所存在的瓶頸主要是由不充分有效的發射源和轉換介質所造成的。如今，研究人員發展了一個材料系統來產生太赫茲脈衝，其比以往任何時候都更為有效。這一材料系統是基於石墨烯，在石墨烯上塗敷一層金屬薄層來實現的。　　在電磁波普範圍內，太赫茲光位於紅外發射和微波的範圍內。
  • 中國科學家製備出石墨烯高速電晶體,有望應用於太赫茲領域
    10月29日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心取得新的科研突破，該中心先進碳材料研究部科研人員首次製備出以肖特基結作為發射結的垂直結構電晶體「矽—石墨烯—鍺電晶體」，成功將石墨烯基區電晶體的延遲時間縮短了1000倍以上，並將其截止頻率由兆赫茲（MHz）提升至吉赫茲（GHz
  • 寬帶太赫茲動態偏振控制的石墨烯可調諧多功能超材料
    如果能夠動態改變超材料的電磁特性，將開闢傳統設備無法提供的新應用。　　近年來，可調諧超材料的開發使得太赫茲偏振主動可控成為現實，電磁響應的控制主要通過電、機械、熱和光等外部刺激。在各種可調技術中，電氣控制是實際操作中最方便的方法之一。由
  • 雙層石墨烯加電可調材料特性,二維材料進入2.0時代
    在外界看來，多年偏基礎物理科學的研究不免會有些枯燥，但對巨龍來說，興趣是最好的內心驅動力，他所領導的課題組目前也是聚焦於對二維材料的一些基本物理性質的研究。巨龍介紹，從 2005 年至今，科學界基本是一邊研究已發現的二維材料性質，另一方面，也在不斷尋找新的二維材料。
  • 石墨烯能用於t波探測?t波也將在醫學掃描中取代x射線!
    來自莫斯科物理與技術研究所(MIPT)和Valiev物理與技術研究所的俄羅斯研究人員已經證明，在商用石墨烯中存在太赫茲輻射的共振吸收。這是設計高效太赫茲探測器的重要一步，使網際網路更快，並安全取代x射線用於身體的掃描，其研究結果發表在《物理評論應用》上。
  • 天津大學開發出自驅動室溫近紅外-太赫茲光電探測器
    【研究背景】由單一器件構成的近紅外-太赫茲(NIR-THz)寬譜光電探測器在成像，遙感，通信和光譜學等諸多領域具有潛在的應用價值。特別是隨著太赫茲技術的不斷發展，空間網絡通信和生物醫學成像等領域迫切需要具有自驅動、快速響應和室溫運轉性能的太赫茲探測器。
  • 超越人類認知的石墨烯泡沫，幽靈一樣存在著
    中科院力學研究所研究員提出了一種理論框架，系統研究了三維石墨烯泡沫的導電性能，並在該體系中發現了電導率極大現象，即隨石墨烯薄片層數的增加，電導率先增大後減。該工作為優化三維石墨烯泡沫材料的導電性能提供了理論基礎，並將促進該材料在功能器件方面的應用。
  • 石墨烯材料對5G太赫茲頻率電磁幹擾屏蔽達99.99999％
    石墨烯複合材料在太赫茲EHF頻率下對5G通信技術的電磁幹擾屏蔽達99.99999％裝置的小型化以及隨之而來的電子系統中熱和電磁波（EM）輻射的增加使得同時進行熱管理和電磁幹擾（EMI）屏蔽至關重要。任何有效的電子設備都是EM輻射的來源。因此，必須保護電子組件免受EM輻射的影響，以避免性能下降和故障。
  • 太赫茲技術發展現狀分析
    二、太赫茲基礎技術發展現狀 太赫茲基礎技術主要研究如何產生、探測和控制太赫茲波，包括產生太赫茲波的太赫茲源、探測太赫茲波的各類探測器、傳輸/ 調製太赫茲的各種器件等。
  • 「像」由「芯」生的太赫茲傳奇 | 賽先生天文
    2）穿透性：太赫茲輻射對不同物質的透射性有很大區別，因此太赫茲成像可以有效區分不同的材質。尤其是對可見光不透明的物體進行太赫茲成像，可探知材料內部或被遮擋的區域。由於低溫超導的材料特性，超導探測器通常需要在接近絕對零度的極低溫度下工作。根據探測器種類的不同，工作溫區會在幾十mK到幾K的範圍內有所不同（K：開爾文，溫度單位）。
  • 按需控制太赫茲和紅外波,將徹底改變光電子、電信和醫學診斷!
    利用磁場或電場來控制紅外線和太赫茲波的能力是物理學中一個巨大挑戰，它可能徹底改變光電子、電信和醫學診斷。之前理論預測石墨烯（一種由碳原子組成的單原子層）在磁場中不僅可以根據需要吸收太赫茲和紅外光，還可以控制圓偏振的方向。
  • 中科院發明高靈敏度太赫茲探測器
    原標題：發明高靈敏度太赫茲探測器 　　本報訊（記者黃辛）中科院上海技術物理所研究員黃志明和褚君浩院士等在研究太赫茲與窄禁帶半導體相互作用時，發現了一種新型光電效應。他們進一步將該效應用於太赫茲波的探測，成功研製了高靈敏度太赫茲室溫探測器，證明了通過光子的波動性在器件結構中產生的奇異光電效應，可以實現室溫下高靈敏度太赫茲探測，從而為太赫茲技術的廣泛應用提供了可能。相關研究成果（兩篇）近日連續發表於《先進材料》 。 　　太赫茲在幾乎所有科學與技術領域具有重要性，因此受到廣泛重視。但太赫茲探測一直是瓶頸問題之一。
  • 可能引發科學技術革命性發展的太赫茲技術
    近年來，太赫茲通信和雷達技術儼然已成為太赫茲技術研究的前沿和熱點領域，國內外太赫茲雷達和通信技術的研發及應用得到了極大拓展。隨著太赫茲技術的飛速發展，太赫茲源和探測設備等新型硬體設施的出現，為太赫茲技術在雷達和太赫茲通信等領域的應用奠定了堅實的基礎。相對於傳統的微波雷達、雷射雷達、光纖通信等，太赫茲波雷達和太赫茲通信具有獨特的技術優勢，在當前受到極大重視，具有重要的應用前景。
  • 基於石墨烯調控布魯斯特角 — 實現超廣譜太赫茲光波調製器
    太赫茲光波是一種介於遠紅外光與微波之間的電磁波。由於其特殊的波長和頻率，太赫茲光波可以用於特殊成像（如安檢儀），無損生物檢測，短程通訊等領域。太赫茲調製器，及用於調製光波強度或者相位的動態器件，是重要的基本光學元件。
  • 中國科學家改進石墨烯高速電晶體,器件總延遲縮短1000倍
    近日，據英國《自然·通訊》雜誌報導，中國科學家首次製備出以肖特基結作為發射結的垂直結構電晶體「矽—石墨烯—鍺電晶體」，成功將石墨烯基區電晶體的延遲時間縮短了1000倍以上，並將其截止頻率由兆赫茲（MHz）提升至吉赫茲（GHz）領域，未來將有望在太赫茲（THz）領域的高速器件中應用。
  • 太赫茲技術為揭示半導體雷射器工作原理提供新視角
    然而，到目前為止，還沒有一個探測器能夠精確地測量和證明這一點，最好的結果只是在納秒級的時間尺度上實現，太慢以至於不能進行有效的分析或者被用來開發最有效的新系統。　　利茲大學的研究人員與巴黎、法國以及澳大利昆士蘭大學的國際同事進行合作，使用太赫茲頻率量子級聯雷射器和一種稱為太赫茲時域光譜技術分析雷射穩定的整個過程。
  • 【科研進展】石墨烯和超材料的組合,可實現對電磁波進行超快實時...
    在這種器件結構中，單層石墨烯作為可調諧導電膜運行，產生主動控制的坑行為和伴隨的群延遲。這種器件概念為設計緊湊的太赫茲調製器件提供了理論指導。超材料中的等離子體響應耦合可以模擬電磁誘導透明(EIT)效應，其物理機制可以用等離子體共振解釋，因此被稱為等離子體誘導透明(PIT)。