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石墨烯用於太赫茲空間望遠鏡2019-09-19

瑞典哥德堡查爾默斯理工大學的研究人員研製了一種由石墨烯製成的新型光學探測器,他們表示這種探測器可以徹底改變下一代空間望遠鏡所使用的感測器。該研究最近發表於“Nature Astronomy”。
除了超導體之外,幾乎沒有材料能夠滿足天文學所使用的超靈敏和快速太赫茲(thz)探測器的要求。目前,查爾莫斯的研究人員已經證明,工程石墨烯是可用於太赫茲外差探測的一種新的可選擇材料。
量子器件物理實驗室助理教授、論文主要作者Samuel Lara-Avila評論說:“石墨烯可能是唯一已知的,即使沒有電子,仍然是電和熱的良導體材料。在石墨烯中,我們通過在其表面組裝接受電子的分子,達到了接近零電子的情況,也被稱為狄拉克點。我們的結果表明,當摻雜達到狄拉克點時,石墨烯是一種非常好的太赫茲外差探測材料。”
石墨烯功能
chalmers小組外差檢測進行了實驗演示,在外差檢測中,他們使用基於石墨烯的技術將兩個信號組合或混合。一個信號是在已知太赫茲頻率下由本地源(如本地振盪器)產生的高強度波。第二個是一個微弱的太赫茲信號,它類比了從太空發出的波。石墨烯有能力混合這些信號,並產生一個低得多的千兆赫茲(ghz)頻率的輸出波,即中頻波,然後可以用標準的低雜訊千兆赫茲電子學進行分析。中頻越高,探測器所需的頻寬就越高,以便準確識別天體內部的運動。
查爾默斯太赫茲和毫米波實驗室(TML)教授,論文的合著者Sergey Cherednichenko評論說:“根據我們的理論模型,這種石墨烯太赫茲探測器有能力在重要的1-5THz光譜範圍內達到量子限幅運行。此外,其頻寬可以超過20GHz,比當今最先進的技術必須提供的5GHz還要大。”
低功率需求
石墨烯太赫茲探測器的另一個重要特點是,本地振盪器僅需極低功率的微弱太赫茲信號即實現可靠檢測,這比超導探測器要求的低了幾個數量級。研究小組說,這種檢測能力可以實現量子有限太赫茲相干探測器陣列,從而打開了對宇宙進行三維成像的大門。
太空、地球與環境部的天文學家Elvier De Beck解釋了該研究對天文學的實用性:這種基於石墨烯的技術在未來的太空任務中具有巨大的潛力,例如,揭示出水、碳、氧和生命是如何來到了地球的。量子器件物理實驗室教授,論文合著者Sergey Kubatkin補充道:“這種探測器的核心是它的石墨烯和分子組裝系統。這本身就是一種新型的複合二維材料,值得從根本上進行更深入的研究,因為它展示了一種由量子力學效應控制的全新電荷與熱傳輸機制。”
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