En ny detektor av grafen kan revolutionera nästa generations rymdteleskop. Genom att korsa signaler av olika frekvens kan man 3D-avbilda universum – och kanske avslöja hur livet kom till jorden. Tekniken har demonstrerats av forskare vid Chalmers.
Förutom supraledare finns det idag få material som uppfyller kraven för att göra ultrakänsliga och snabba terahertzdetektorer inom astronomi. Chalmersforskarna har nu visat att det går att konstruerat grafen med stor potential att revolutionera så kallad heterodyndetektion på terahertznivå.
– Grafen är kanske det enda kända material som förblir en utmärkt ledare av el/värme även om det faktiskt inte har några elektroner. Vi har uppnått ett nästintill nollelektronscenario med grafen, en så kallad Dirac-punkt, genom att montera elektronmottagande molekyler på dess yta. Våra resultat visar att grafen är ett utomordentligt bra material för heterodyndetektion vid dopning till Dirac-punkten, säger artikelns huvudförfattare Samuel Lara-Avila, forskarassistent på avdelningen för kvantkomponentfysik, Chalmers.
Grafen blandar signalerna
Heterodyndetektionen i chalmersforskarnas experimentella demonstration kombinerar två signaler med hjälp av grafen. Den ena signalen är en terahertzvåg med hög intensitet på en känd frekvens, genererad av en lokal ljuskälla. Den andra är en svag terahertzsignal som härmar vågorna från rymden. Grafenet blandar de båda signalerna och producerar sedan en utgångsvåg på en mycket lägre gigahertzfrekvens. Denna mellanfrekvens kan analyseras med lågbrusig standard-gigahertz-elektronik. Ju högre mellanfrekvens, desto högre bandbredd sägs detektorn ha.
– Enligt vår teoretiska modell har denna terahertzdetektor en potential att uppnå kvantbegränsad drift inom det viktiga spektralområdet 1–5 terahertz. Dessutom kan den uppnå en bandbredd på över 20 gigahertz, alltså mycket större än de nuvarande 5 gigahertz som supraledande enheter kan klara idag, säger Sergey Cherednichenko, professor på avdelningen för terahertz- och millimetervågsteknik och medförfattare till artikeln.
Funkar med låg effekt
En annan avgörande aspekt med terahertzdetektorn av grafen är den extremt låga effekt som den lokala oscillatorn/ljuskällan behöver för att uppnå en pålitlig detektion av svaga terahertzsignaler, bara några få storleksordningar lägre än vad superledarna kräver. Detta kan möjliggöra så kallade kvantbegränsade terahertz-koherenta detektoruppsättningar och därmed öppna dörren till 3D-avbildning av universum.
Astronomen Elvire De Beck på institutionen för rymd-, geo- och miljövetenskap har inte deltagit i forskningen, men ser positiva konsekvenser för praktisk astronomi:
– Den här grafenbaserade tekniken har en enorm potential för framtida rymduppdrag som syftar till att exempelvis avslöja hur vatten, kol, syre och själva livet kom till jorden. En lätt, krafteffektiv 3D-bildsensor som är kvantbegränsad vid terahertzfrekvenser är avgörande för sådana ambitiösa uppgifter. Men sådana är helt enkelt inte tillgängliga i dagsläget, säger hon.
Enligt Sergey Kubatkin är systemet med grafen och molekylära enheter kärnan i terahertzdetektorn.
– Detta är i sig ett nytt sammansatt 2D-material som förtjänar djupare undersökningar ur en grundläggande synvinkel, eftersom det visar en helt ny ordning för laddning/värmetransport styrd av kvantmekaniska effekter.
Astronomer använder sig av koherenta detektorer, baserade på heterodynteknologi, för att studera ”fingeravtryck” av vatten, kol, syre och många andra ämnen från universums mest avlägsna platser. Idealiska koherenta terahertzdetektorer bör ha hög känslighet för att upptäcka svaga kosmiska signaler, stor bandbredd för att exakt kunna identifiera rörelser inuti himlaobjekten, samt låga lokala oscillatoreffektkrav för att möjliggöra effektiv drift av många pixlar. Astronomiska heterodynobservationer på terahertzfrekvenser (0,1-10THz) har dominerats av supraledande enheter. Men trots alla design- och optimeringsansträngningar har några av supraledarnas inre materialegenskaper gjort det utmanande att samtidigt uppfylla alla stränga krav (känslighet, bandbredd, låg lokal oscillatoreffekt) som behövs för att bygga terahertzdetektorer med kapacitet att avbilda stora delar av universum på terahertznivå.
Vetenskaplig artikeln:
Towards quantum-limited coherent detection of terahertz waves in charge-neutral graphene. Nature Astronomy
Film: Se en experimentell demonstration med prof Sergey Cherednichenko (5.50 min)
Kontakt:
Samuel Lara-Avila, forskarassistent på avdelningen för kvantkomponentfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, Göteborg, samuel.lara@chalmers.se
