Forskare från Chalmers tekniska högskola har demonstrerat en detektor gjord av grafen som kan revolutionera sensorerna som används i nästa generations rymdteleskop. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Natur astronomi .

Utöver supraledare, det finns få material som kan uppfylla de krav som krävs för att göra ultrakänsliga och snabba terahertzdetektorer (THz) för astronomi. Chalmers-forskare har visat att konstruerad grafen lägger till ett nytt materialparadigm för THz-heterodyndetektering.

"Grafen kan vara det enda kända materialet som förblir en utmärkt ledare av elektricitet/värme även när det har, effektivt, inga elektroner. Vi har nått ett nära noll-elektronscenario i grafen, även kallad Dirac-punkt, genom att montera elektronaccepterande molekyler på dess yta. Våra resultat visar att grafen är ett exceptionellt bra material för THz-heterodyndetektering när det dopas till Dirac-punkten, " säger Samuel Lara-Avila, biträdande professor vid Quantum Device Physics Laboratory och huvudförfattare till uppsatsen.

Den experimentella demonstrationen involverar heterodyndetektering, där två signaler kombineras, eller blandad, med hjälp av grafen. En signal är en högintensitetsvåg vid en känd THz-frekvens, genereras av en lokal källa (dvs en lokal oscillator). Den andra är en svag THz-signal som efterliknar vågorna som kommer från rymden. Grafen blandar dessa signaler och producerar sedan en utgångsvåg med en mycket lägre gigahertz (GHz) frekvens, kallas mellanfrekvensen, som kan analyseras med standard lågbrus gigahertzelektronik. Ju högre mellanfrekvensen kan vara, ju högre bandbredd detektorn sägs ha, krävs för att exakt identifiera rörelser inuti himlaobjekten.

Sergey Cherednichenko, professor vid Terahertz and Millimeter Wave Laboratory och medförfattare till artikeln, säger, "Enligt vår teoretiska modell, denna grafen THz-detektor har potential att nå kvantbegränsad drift för det viktiga spektralområdet 1-5 THz. Dessutom, bandbredden kan överstiga 20 GHz, större än 5 GHz som den senaste tekniken har att erbjuda."

En annan avgörande aspekt för grafen THz-detektorn är den extremt låga effekten som krävs för den lokala oscillatorn för att uppnå en pålitlig detektering av svaga THz-signaler, få storleksordningar lägre än vad supraledare kräver. Detta kan möjliggöra kvantbegränsade THz koherenta detektormatriser, därmed öppnar dörren till 3D-avbildning av universum.

Elvire De Beck, astronom vid Department of Space, Jord och miljö, som inte deltog i forskningen, förklarar de möjliga konsekvenserna för praktisk astronomi:"Denna grafenbaserade teknologi har enorm potential för framtida rymduppdrag som syftar till att avslöja hur vatten, kol, syre och livet självt kom till jorden. En lättviktare, krafteffektiv 3D-bildare som är kvantbegränsad vid terahertz-frekvenser är avgörande för sådana ambitiösa uppgifter. Men för tillfället, THz 3D-bildapparater är helt enkelt inte tillgängliga."

Sergey Kubatkin, professor vid Quantum Device Physics Laboratory och medförfattare till artikeln, förklarar:"Kärnan i THz-detektorn är systemet av grafen och molekylära sammansättningar. Detta är i sig ett nytt sammansatt 2D-material som förtjänar en djupare undersökning ur en grundläggande synvinkel, eftersom det visar ett helt nytt system för laddning/värmetransport styrd av kvantmekaniska effekter."