Детекторы графена могут сделать космические телескопы в 1000 раз лучше
Новая спроектированная форма графена может революционизировать технологию космического телескопа. Это может обеспечить точное отображение больших областей близлежащих галактик и звездообразных облаков в более короткие сроки. По сравнению с обычными сверхпроводниками, используемыми в терагерцевых телескопах, новый детектор графена будет потреблять менее 0,1% мощности.
Наблюдение космоса в терагерцовом диапазоне частот (100 ГГц - 10 ТГц) может помочь астрономам лучше понять физику и химию звездообразующих областей.
Терагерцовые волны (длина волн которых намного длиннее инфракрасного) могут раскрыть процессы, скрытые за пылевыми газовыми облакам. Хотя современные космические телескопы способны производить наблюдения в терагерцовом диапазоне частот, для их работы требуется высокая энергия (в микроваттах).
Недавно исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса в Швеции показала, что в таких телескопах можно использовать несколько материалов для обеспечения быстрого терагерцового и сверхчувствительного обнаружения. Они разработали графен (один слой атомов углерода), который может революционизировать технологию космического телескопа.
Почему графен?
Графен обладает уникальными свойствами, которые отличают его от других материалов. Например, графен имеет гораздо меньшую плотность, чем сталь, но он почти в 100 раз прочнее самой прочной стали. Кроме того, он эффективно проводит электричество и тепло и почти прозрачен.
В этом исследовании исследователи смогли достичь точки Дирака в графене, расположив электроноприемные молекулы на его поверхности. Результаты показывают, что графен может работать невероятно хорошо по сравнению с любым другим сверхпроводником: при легировании до точки Дирака материал можно эффективно использовать для обнаружения ТГц гетеродина.
Как это работает?
Для обнаружения гетеродина два сигнала объединяются с использованием графена.
1) Первый сигнал - волна высокой интенсивности, генерируемая локальным генератором.
2) Другой-это слабый ТГц-сигнал, который ведет себя как волны, приходящие из космоса.
Графен объединяет оба сигнала и генерирует новую волну на гораздо более низкой частоте (ГГц), известной как промежуточная частота. Эта результирующая волна может быть исследована с помощью обычных гигагерцовых инструментов с низким уровнем шума.
Ширина полосы детектора (необходимая для точного обнаружения движений небесных тел) прямо пропорциональна промежуточной частоте.
Теоретически, детектор на основе графена может достичь спектрального диапазона от 1 до 5 ТГц. Ширина полосы может достигать более 20 ГГц, что намного больше, чем предлагает существующая технология.
Что еще более впечатляет, этот детектор потребляет чрезвычайно низкую энергию, на несколько порядков ниже, чем другие сверхпроводники. Это также может привести к ограничению квантовых ТГц когерентных детекторов, открывая новые возможности для трехмерного изображения нашей вселенной.
По сравнению с обычными сверхпроводниками, используемыми в терагерцевых телескопах, новый детектор графена будет потреблять менее 0,1% мощности. Он может использовать 0,1 нВт, а не микроватт. Если сверхпроводящие детекторы генерируют один пиксель, новые графеновые детекторы могут иметь от 1000 до 10000 пикселей.
Исследователи полагают, что большая матрица ТГц детекторов графена сможет измерять терагерцевые сигналы вплоть до однофотонной шкалы и частоты до 1/10 миллионов.
Это может позволить получить изображения больших областей близлежащих галактик и звездообразных облаков в более короткие сроки. Более того, технология может быть чрезвычайно полезна для будущих космических проектов, направленных на выявление происхождения кислорода, углерода, воды и жизни на Земле.
Источник: | DOI: 10.1038 / s41550-019-0843-7 | Чалмерский технологический университет