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石墨烯为太赫兹天文探测开辟了新的道路
发布时间:2019-09-23 07:55:43 阅读:242

来源:瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology);电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 邱杰夫 编译

图片描述了使用了石墨烯的THz外差法探测的原理图,在图片中,两束太赫兹波(红色)被耦合到石墨烯中,并在石墨烯中结合或混合。其中具有较高能量的太赫兹波是通过已知的发生源产生的,另一个微弱的太赫兹波是模拟来自宇宙的波。图片来源: Photographer / Source Hans He。

    瑞典查尔姆斯理工大学的研究证明石墨烯制作的探测器将为新时代宇宙天文望远镜带来变革。这个发现不久前已发表在科学杂志《Nature Astronomy》上。

    除了超导体,很少有材料能像Thz探测器这样满足天文学超级灵敏并且反应快速的要求。查尔姆斯理工大学的研究为使用石墨烯THz外差法探测提供了范例。

    Samuel Lara-Avila,量子器材物理实验室教授助理同时也是这篇论文的第一作者说:“石墨烯可能是所有一致的材料中唯一一个在无电子情况下表现出色的电/热导体。我们已经有了一个通过在表面聚集作为电子势阱的分子,来创造无电子情况,也就是狄拉克点。我们的结果表明,当掺杂接近狄拉克点时,石墨烯是一种特别好的THz外差法探测材料。”

    实验演示包括外差法检测,两束THz波在石墨烯上组合或者混合。其中一个高能量的THz波通过已知发生源产生,我们可以知道它的频率是多少。另一个微弱的THz波模拟来自宇宙的波。石墨烯混合这些信号并提供一个具有较低频率的GHz输出信号,称之为中间频率。这可以通过标准低噪声GHz电子器材分析。中间频率越高,探测器的带宽就越大,就更能够精准的识别天体目标数据。

    Sergey Cherednichenko,THz和毫米波实验室教授同时也是这篇论文的合作作者说:“根据我们的物理模型,在1-5THz的光谱范围内,石墨烯THz探测极有可能达到量子极限的运算。此外,带宽还可以超越20GHz,远远大于当前科学技术所能达到的5GHz。”

    石墨烯THz探测器另一个重要的方面是只需要极小的功率的振荡电路就可以实现微弱THz信号的可靠检测,有些指标甚至低于超导体的要求。这使得量子极限相干检波数组成为可能,从而打开3D宇宙图像的大门。

    Elvire De Beck,太空地球环境部门的天文学家。虽然并未参与这项研究,但是在天文实践方面发表了自己的看法。“这种基于石墨烯的技术在揭示水、碳、氧气和生命怎样来到这个世界方面具有巨大的潜力。一个微小的却有巨大影响力的3D图像更是THz量子极限另一个至关重要的任务。但是就目前而言,THz 3D图像基本不能实现。”

    Sergey Kubatkin,量子器材物理实验室教授同时也是这篇论文的合作作者,解释道“THz探测器的核心在于石墨烯和分子组装材料。这种新型的复合二维材料值得我们从基础上进行更深入的研究,它向我们展示了一个全新的电/热转换模式的量子物理现象。”

 
 

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