石墨烯用于太赫兹空间望远镜

查尔默斯理工大学新进展：下一代太空望远镜使用的传感器

用石墨烯探测太赫兹外差的查尔默斯原理图

瑞典哥德堡查尔默斯理工大学的研究人员研制了一种由石墨烯制成的新型光学探测器，他们表示这种探测器可以彻底改变下一代空间望远镜所使用的传感器。该研究最近发表于“Nature Astronomy”。

除了超导体之外，几乎没有材料能够满足天文学所使用的超灵敏和快速太赫兹（thz）探测器的要求。目前，查尔莫斯的研究人员已经证明，工程石墨烯是可用于太赫兹外差探测的一种新的可选择材料。

量子器件物理实验室助理教授、论文主要作者Samuel Lara-Avila评论说：“石墨烯可能是唯一已知的，即使没有电子，仍然是电和热的良导体材料。在石墨烯中，我们通过在其表面组装接受电子的分子，达到了接近零电子的情况，也被称为狄拉克点。我们的结果表明，当掺杂达到狄拉克点时，石墨烯是一种非常好的太赫兹外差探测材料。”

石墨烯功能

chalmers小组外差检测进行了实验演示，在外差检测中，他们使用基于石墨烯的技术将两个信号组合或混合。一个信号是在已知太赫兹频率下由本地源（如本地振荡器）产生的高强度波。第二个是一个微弱的太赫兹信号，它模拟了从太空发出的波。石墨烯有能力混合这些信号，并产生一个低得多的千兆赫兹（ghz）频率的输出波，即中频波，然后可以用标准的低噪声千兆赫兹电子学进行分析。中频越高，探测器所需的带宽就越高，以便准确识别天体内部的运动。

查尔默斯太赫兹和毫米波实验室（TML）教授，论文的合著者Sergey Cherednichenko评论说：“根据我们的理论模型，这种石墨烯太赫兹探测器有能力在重要的1-5THz光谱范围内达到量子限幅运行。此外，其带宽可以超过20GHz，比当今最先进的技术必须提供的5GHz还要大。”

低功率需求

石墨烯太赫兹探测器的另一个重要特点是，本地振荡器仅需极低功率的微弱太赫兹信号即实现可靠检测，这比超导探测器要求的低了几个数量级。研究小组说，这种检测能力可以实现量子有限太赫兹相干探测器阵列，从而打开了对宇宙进行三维成像的大门。

太空、地球与环境部的天文学家Elvier De Beck解释了该研究对天文学的实用性：这种基于石墨烯的技术在未来的太空任务中具有巨大的潜力，例如，揭示出水、碳、氧和生命是如何来到了地球的。量子器件物理实验室教授，论文合著者Sergey Kubatkin补充道：“这种探测器的核心是它的石墨烯和分子组装系统。这本身就是一种新型的复合二维材料，值得从根本上进行更深入的研究，因为它展示了一种由量子力学效应控制的全新电荷与热传输机制。”