Chalmerister bryter ny mark med grafen

Forskare på Chalmers tekniska högskola har demonstrerat en grafendetektor som påstås kunna revolutionera sensorerna i nästa generations rymdteleskop. Detta framgår av ett pressmeddelande. Resultaten som publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature Astronomy visar att konstruerat grafen har stor potential att tillföra ett nytt materiellt paradigm inom heterodyndetektion på terahertznivå. 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. 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 får detektorn. – 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. – 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 astronomen Elvire De Beck, som själv inte deltagit i forskningen, på institutionen för rymd-, geo- och miljövetenskap. Enligt chalmeristernas teoretiska modell har erahertzdetektorn potential att uppnå kvantbegränsad drift inom det viktiga spektralområdet 1 till 5 terahertz. Dessutom kan den uppnå en bandbredd på över 20 gigahertz, större än de nuvarande 5 gigahertz som superledande enheter kan klara i dag. En annan aspekt med terahertzdetektorn av grafen är enligt pressutskicket 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.