【儀表網 儀表上游】據麥姆斯咨詢報道，來自瑞典查爾姆斯理工大學(Chalmers University of Technology)的研究人員展示了一種由石墨烯制成的探測器，或能徹底革新下一代太空望遠鏡中的傳感器。該研究近發表在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現太赫茲(THz)外差探測的原理圖。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)產生的已知太赫茲頻率的高強度波。另一種是微弱的太赫茲波，以模擬來自太空的輻射波。(圖片來源：Hans He)
查爾姆斯理工大學的Samuel Lara-Avila
除超導體外，很少有材料能夠滿足制造超靈敏、快速太赫茲天文探測器的要求。查爾姆斯理工大學的研究人員已證明，這種工程石墨烯為太赫茲外差探測增添了一種新材料范例。
查爾姆斯理工大學量子器件物理實驗室助理教授、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有電子的情況下仍能有效導電/導熱的材料。通過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現了接近零電子的狀態，也稱為狄拉克點(Dirac point)。我們的研究結果表明，狄拉克點摻雜石墨烯是一種非常好的太赫茲外差探測材料。”
具體來說，研究中涉及外差探測，即使用石墨烯將兩種太赫茲波結合或混合。其中一種是由本地太赫茲輻射源(即本地振蕩器)產生的已知太赫茲頻率的高強度波。另一種是微弱的太赫茲波，以模擬來自太空的波。石墨烯將這些太赫茲波混合在一起，然后產生一種更低的千兆赫(GHz)頻率的輸出波，通常稱為“中頻(intermediate frequency)”，中頻可使用標準低噪聲千兆赫電子器件進行分析。中頻越高，探測器的帶寬就越寬，以達到識別天體內部運動的目的。
查爾姆斯理工大學太赫茲和毫米波實驗室教授、本研究共同作者Sergey Cherednichenko表示：“根據我們的理論模型，這種石墨烯太赫茲探測器有可能在重要的1-5太赫茲光譜范圍內達到量子限制工作狀態。此外，該探測器帶寬可超過20GHz，比目前進的技術所能提供的5GHz還要高。”
石墨烯太赫茲探測器的另一個關鍵問題在于，本地振蕩器為實現可靠探測微弱太赫茲信號所需的功耗極低，比超導體所需的還要低幾個數量級。這將使量子限制的太赫茲相干探測器陣列成為可能，從而為宇宙的3D成像打開大門。
查爾姆斯理工大學空間、地球及環境部的天文學家Elvire De Beck并未參與此項研究，他解釋了該研究對實用天文學的潛在影響：“這種基于石墨烯的技術在未來的太空任務中有著巨大的潛力，旨在揭示水、碳、氧和生命本身如何來到地球。一款可在太赫茲頻率達到量子限制的輕量級且高能效的3D成像儀，對于完成這些雄心勃勃的太空任務來說至關重要。但目前，太赫茲3D成像儀還無法使用。”
查爾姆斯理工大學量子器件物理實驗室教授、本研究共同作者Sergey Kubatkin解釋道：“太赫茲探測器的核心是石墨烯與可接受電子的分子所集成的系統。這本身就是一種新型2D復合材料，從基礎理論的角度來說，該材料值得進行更深入的研究，因為它展示了由量子力學效應驅動的全新電荷/熱的傳輸機制。”
(原文標題：瑞典研發出革命性石墨烯探測器，助力下一代太赫茲天文學)
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