Onderzoekers van de Chalmers University of Technology hebben een detector van grafeen gedemonstreerd die een revolutie teweeg kan brengen in de sensoren die worden gebruikt in ruimtetelescopen van de volgende generatie. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurastronomie .

Voorbij supergeleiders, er zijn maar weinig materialen die kunnen voldoen aan de eisen die nodig zijn voor het maken van ultragevoelige en snelle terahertz (THz)-detectoren voor astronomie. Chalmers-onderzoekers hebben aangetoond dat geconstrueerd grafeen een nieuw materiaalparadigma toevoegt voor THz-heterodyne-detectie.

"Grafeen is misschien wel het enige bekende materiaal dat een uitstekende geleider van elektriciteit/warmte blijft, zelfs als het effectief, geen elektronen. We hebben een bijna nul-elektronenscenario bereikt in grafeen, ook wel Dirac-punt genoemd, door elektronen-accepterende moleculen op het oppervlak te assembleren. Onze resultaten laten zien dat grafeen een uitzonderlijk goed materiaal is voor THz-heterodyne-detectie wanneer het is gedoteerd tot het Dirac-punt, " zegt Samuel Lara-Avila, assistent-professor aan het Quantum Device Physics Laboratory en hoofdauteur van het artikel.

De experimentele demonstratie omvat heterodyne detectie, waarin twee signalen worden gecombineerd, of gemengd, grafeen gebruiken. Eén signaal is een golf van hoge intensiteit met een bekende THz-frequentie, gegenereerd door een lokale bron (d.w.z. een lokale oscillator). De tweede is een zwak THz-signaal dat de golven nabootst die uit de ruimte komen. Grafeen mengt deze signalen en produceert vervolgens een uitgangsgolf met een veel lagere gigahertz (GHz) frequentie, de middenfrequentie genoemd, die kunnen worden geanalyseerd met standaard geluidsarme gigahertz-elektronica. Hoe hoger de middenfrequentie kan zijn, hoe hoger de bandbreedte die de detector zou hebben, nodig om bewegingen in de hemellichamen nauwkeurig te identificeren.

Sergej Cherednichenko, professor aan het Terahertz en Millimeter Wave Laboratory en co-auteur van het artikel, zegt, "Volgens ons theoretisch model, deze grafeen THz-detector heeft het potentieel om kwantumbeperkte werking te bereiken voor het belangrijke 1-5 THz spectrale bereik. Bovendien, de bandbreedte kan 20 GHz overschrijden, groter dan 5 GHz die de state of the art state-of-the-art technologie te bieden heeft."

Een ander cruciaal aspect voor de grafeen THz-detector is het extreem lage vermogen dat de lokale oscillator nodig heeft om een ​​betrouwbare detectie van zwakke THz-signalen te bereiken, enkele orden van grootte lager dan supergeleiders vereisen. Dit zou kwantumbeperkte THz coherente detectorarrays mogelijk maken, daarmee de deur openend naar 3D-beeldvorming van het universum.

Elvire de Beck, astronoom bij het Department of Space, Aarde en Milieu, die niet hebben deelgenomen aan het onderzoek, legt de mogelijke implicaties voor praktische astronomie uit:"Deze op grafeen gebaseerde technologie heeft een enorm potentieel voor toekomstige ruimtemissies die erop gericht zijn te onthullen hoe water, koolstof, zuurstof en het leven zelf kwamen naar de aarde. Een lichtgewicht, energie-effectieve 3D-imager die kwantumbeperkt is bij terahertz-frequenties is cruciaal voor dergelijke ambitieuze taken. Maar op dit moment, THz 3D-imagers zijn gewoon niet beschikbaar."

Sergej Kubatkin, professor aan het Quantum Device Physics Laboratory en co-auteur van het artikel, legt uit:"De kern van de THz-detector is het systeem van grafeen en moleculaire assemblages. Dit is op zichzelf een nieuw samengesteld 2D-materiaal dat vanuit een fundamenteel oogpunt dieper onderzoek verdient, omdat het een geheel nieuw regime van lading / warmtetransport vertoont dat wordt beheerst door kwantummechanische effecten."