schema för heterodyndetektion på terahertznivå med hjälp av grafen
​Bilden visar ett schema för heterodyndetektion på terahertznivå med hjälp av grafen. Två terahertzvågor (röda) kopplas till grafen, där de kombineras eller blandas. Den ena signalen är en terahertzvåg med hög intensitet på en känd frekvens, genererad av en lokal terahertzljuskälla (dvs en lokal oscillator). Den andra signalen är en svag terahertzsignal som härmar vågorna från rymden. Illustration: Hans He​​​

Grafen banar väg för framtidens rymdteleskopsensorer

​Forskare på Chalmers har demonstrerat en grafendetektor som kan revolutionera sensorerna i nästa generations rymdteleskop. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature Astronomy.
Samuel Lara-AvilaFörutom supraledare finns det idag få material som uppfyller kraven för att göra ultrakänsliga och snabba terahertzdetektorer för astronomiområdet. Chalmersforskarna har nu visat att konstruerat grafen har stor potential att tillföra ett nytt materiellt paradigm inom 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 (t h), forskarassistent på avdelningen för kvantkomponentfysik.

Heterodyndetektionen i chalmersforskarnas experimentella demonstration kombinerar, eller blandar, två signaler med hjälp av grafen. Den ena signalen är en terahertzvåg med hög intensitet på en känd frekvens, genererad av en lokal ljuskälla (dvs en lokal oscillator). 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, kallad mellanfrekvensen, som kan analyseras med lågbrusig standard-gigahertz-elektronik. Ju högre mellanfrekvens, desto högre bandbredd sägs detektorn ha.

Sergey Cherednichenko, professor på avdelningen för terahertz- och millimetervågsteknik och medförfattare till artikeln, säger:
– 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.

En annan avgörande aspekt med terahertzdetektorn av grafen är den extremt låga effekt som den lokala oscillatorn behöver för att uppnå en pålitlig detektion av svaga terahertzsignaler, som är få storleksordningar lägre än superledarna kräver. Detta kan möjliggöra kvantbegränsade terahertz-koherenta detektoruppsättningar och därmed öppna dörren till 3D-avbildning av universum.

Sergey Cherednichenko lägger till:
– Med skalbarheten hos epitaxiell grafen, utsikterna med den höga känsligheten, den stora bandbredden och de mycket låga lokala oscillatoreffektkraven, är det lockande att föreställa sig byggandet av en stor matris av terahertzsensorer som kan mäta signaleffekten ner till enfotonnivå, och frekvenser ner till en bråkdel av tio miljoner. Sådana matriser skulle möjliggöra avbildning av stora delar av stjärnbildande moln och närliggande galaxer på kortare tid.

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.

Sergey Kubatkin, professor på avdelningen för kvantkomponentfysik och medförfattare till artikeln, förklarar:
– Kärnan i terahertzdetektorn är systemet med grafen och molekylära enheter. 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.

Foto på Samuel Lara-Avila: Jan-Olof Yxell

FAKTA:

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 superledande 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.

MEDVERKANDE FORSKARE:

Förutom Samuel Lara-Avila, Sergey Cherednichenko och Sergey Kubatkin, har flera chalmersforskare deltagit i forskningen och är medförfattare till artikeln: Andrey Danilov, senior forskare, Hans He, doktorand, Kyung Ho Kim, postdoktorand, Floriana Lombardi, professor, och Thilo Bauch, docent. Dmitry Golubev, Aalto-universitetet, Finland och Rositsa Yakimova, Linköpings universitet, har också ingått i samarbetet.
Forskningen stöds av Stiftelsen för strategisk forskning (SSF), Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Chalmers excellenceinitiativ Nano, Vetenskapsrådet (VR), Korea-Sweden Research Cooperation och EU:s ramprogram för forskning och innovation, Horisont 2020.



Publicerad: on 11 sep 2019.