查尔姆斯理工大学研究人员开发了一种由石墨烯制成的探测器，这种探测器可以彻底改变下一代空间望远镜中使用的传感器。这一研究发现发表在《自然天文学》期刊上。除了超导体之外，很少有材料能够满足制造天文用途的超灵敏和快速太赫兹(THz)探测器所需的要求。Chalmers研究人员已经证明，工程石墨烯为THz外差检测增加了一种新的材料范例。石墨烯可能是唯一已知即使有效地没有电子也仍然是电/热的优秀导体材料。

量子器件物理实验室助理教授、该论文的主要作者Samuel Lara-Avila说：通过在石墨烯表面组装接受电子的分子，我们已经在石墨烯(也称为Dirac点)中达到了接近零电子的情况，结果表明，当掺杂到Dirac点时，石墨烯是一种非常好的THz外差检测材料。实验演示涉及外差检测，其中使用石墨烯将两个信号组合或混合。一个信号是由本地源(即本地振荡器)生成具有已知THz频率的高强度波。第二个是一个微弱的THz信号，模拟来自太空的波。

石墨烯将这些信号混合，然后产生一个低得多的吉赫兹(GHz)频率的输出波，称为中频，可以用标准的低噪声吉赫兹电子学进行分析。中频越高，探测器的带宽就越高，需要准确识别天体内部的运动。太赫兹和毫米波实验室教授、这篇论文的合著者Sergey Cherednichenko说：根据理论模型，这种石墨烯THz探测器有可能在重要的1-5THz光谱范围内达到量子限制操作。此外，带宽可以超过20 GHz，大于先进技术所能提供的5 GHz。

石墨烯THz检测器另一个关键方面是：本地振荡器实现微弱THz信号的可靠检测所需的极低功率，比超导体所需的低几个数量级。这可以实现量子限制的THz相干探测器阵列，因此打开了宇宙三维成像的大门。空间、地球和环境部的天文学家Elvire de Beck解释了这一可能对实际天文学的影响：这种基于石墨烯的技术对于未来旨在揭示水、碳、氧和生命本身是如何来到地球的太空任务具有巨大潜力。

对于这些雄心勃勃的任务来说，一种轻量级、节能的、在太赫兹频率下量子受限的3-D成像仪至关重要。但目前，THz三维成像仪根本无法使用。合著者，量子器件物理实验室的教授Sergey Kubatkin解释说：THz探测器的核心是石墨烯和分子组装系统。这本身就是一种新颖的复合2D材料，值得从根本角度进行更深入的研究，因为它展示了一种由量子力学效应控制的全新电荷/热传输机制。

博科园｜研究/来自：查尔姆斯理工大学

参考期刊《自然天文学》

DOI: 10.1038/s41550-019-0843-7

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