石墨烯为下一代太赫兹天文探测器发展奠定了基础

除超导体之外,很少有材料能够满足制造用于天文学的超灵敏和快速太赫兹(THz)探测器所需的要求。而Chalmers的研究人员已经证明,工程石墨烯为太赫兹外差检测增加了新的材料范例。

 “即使没有有效电子,石墨烯也可能是唯一一种仍然是电/热导体的材料。我们已经通过组装电子接受分子在石墨烯(也称为狄拉克点)中达到了近零电子的情况。我们的研究结果表明,当掺杂到狄拉克点时,石墨烯是太赫兹外差检测的一种非常好的材料,”量子器件物理实验室助理教授,该论文的第一作者Samuel Lara-Avila说。

实验演示涉及外差检测,其中使用石墨烯组合或混合两个信号。一个信号是已知THz频率的高强度波,由本地源(即本地振荡器)产生。第二个是微弱的太赫兹信号,模仿来自太空的波浪。石墨烯混合这些信号,然后以更低的千兆赫兹(GHz)频率产生输出波,称为中频,可以使用标准的低噪声千兆赫电子器件进行分析。中频越高,探测器所具有的带宽就越高,就能精确地识别天体内的运动。

太赫兹和毫米波实验室教授、该论文的共同作者谢尔盖·切雷尼琴科说:“根据我们的理论模型,这种石墨烯太赫兹探测器有可能在重要的1-5 THz光谱范围内达到量子限制操作。此外,带宽可以超过20 GHz,大于5 GHz,这是最先进技术所能提供的。”

石墨烯太赫兹探测器的另一个重要方面是本地振荡器能实现可靠的微弱太赫兹信号检测所需的极低功率,比超导体要求低几个数量级。这可以实现量子限制的太赫兹相干探测器阵列,从而为宇宙的三维成像打开了大门。

空间、地球和环境部的天文学家Elvire De Beck没有参与这项研究,不过他解释了此次的研究发现对实际天文学可能产生的影响:“这种基于石墨烯的技术具有巨大的潜力,可用于未来的太空任务,旨在揭示水、碳、氧和生命本身都来自地球。一个轻量级、高功效的三维成像器,在太赫兹频率下受到量子限制,对于这些雄心勃勃的任务至关重要。只是目前,太赫兹三维成像仪无法在太空检测中实现可用。”

量子器件物理实验室的教授、该论文的共同作者谢尔盖库巴特金解释说:“太赫兹探测器的核心是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,值得更深从基本的角度来看,它显示出一种由量子力学效应支配的全新的电荷/热传输机制。”

太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波,具有穿透性强、安全性高、定向性好等优势,有望用于医疗、宇宙探索等领域。但现有太赫兹探测器存在效率低下的问题,主要是因为太赫兹波与检测元件(晶体管)之间尺寸不匹配。晶体管仅百万分之一米,而太赫兹辐射的波长是其100倍,导致太赫兹波从探测器身边溜走。

1996年,科学家提出了一个解决办法:将入射波能量压缩到与检测器大小相当的体积内。为此,探测器材料需要支持特种“紧凑波”——所谓的等离激元。从理论上来说,在波的谐振下,这种探测器的效率会得到进一步提升。

但实现这种探测器比预期更难。原因在于:在大多数半导体材料中,由于电子与杂质的碰撞,等离激元会快速衰减。石墨烯被认为可解决问题,但其还不够洁净。

在最新研究中,科学家解决了这个问题。他们制造了一个光电探测器,由封装在氮化硼晶体之间的双层石墨烯组成,并与太赫兹天线发生耦合。在这个“三明治”结构中,杂质被逐出石墨烯薄片之外,使等离激元更自由地传播。被金属铅束缚住的石墨烯片形成了一种等离激元谐振器,而石墨烯的双层结构使波速可在一个宽范围内调谐。

新设备实际上也是尺寸仅为几微米的太赫兹光谱仪,可通过电压调谐控制谐振频率。此外,它还可用于基础研究:在不同频率与电子密度下测量探测器中的电流,展示出了等离激元的特性。