Новая форма графена может революционизировать технологию космических телескопов. Она позволит точно отображать большие области близлежащих галактик и звездных скоплений за меньшее время. Новый детектор из графена потребляет в разы меньше энергии, чем обычные сверхпроводники, применяемые в терагерцевых телескопах.
Обзор космоса в терагерцовом диапазоне частот (100 ГГц — 10 ТГц) позволит астрономам глубже разобраться в физике и химии областей, где рождаются звезды.
Волны терагерцового диапазона, превосходящие по длине инфракрасное излучение, могут прояснить процессы, происходящие за облаками пыли и газа. Несмотря на то что современные космические телескопы способны регистрировать терагерцовое излучение, для работы требуется значительная энергия (в микроваттах).
Исследователи Технологического университета Чалмерса в Швеции продемонстрировали возможность использования нескольких материалов в телескопах для быстрого терагерцового и сверхчувствительного обнаружения. Разработанный ими графен (один слой атомов углерода) может революционизировать технологию космических телескопов.
Почему графен?
Графен обладает исключительными характеристиками, выделяющими его среди других материалов. Он имеет меньшую плотность, чем сталь, при этом превосходя ее по прочности почти в сто раз. Также графен эффективно проводит электричество и тепло, демонстрируя высокую степень прозрачности.
В ходе исследования удалось добиться точки Дирака в графене, разместив электроноакцептивные молекулы на его поверхности. Полученные результаты демонстрируют превосходные свойства графена как сверхпроводителя по сравнению с другими известными материалами: при легировании до точки ДиракаЭтот материал хорошо подходит для обнаружения гетеродинов в терагерцовом диапазоне.
Как это работает?
Гетеродин обнаруживается путем слияния двух сигналов при помощи графена.
Первым сигналом служит волна высокой интенсивности, создаваемая местным генератором.
Другой — это слабый сигнал, передаваемый по технологии ТГц, который распространяется подобно космическим волнам.
Графен сливает два сигнала и создает новую волну на значительно более низкой частоте (ГГц), называемую промежуточной частотой. Эту полученную волну можно изучать обычными гигагерцовыми приборами с низким уровнем шума.
Точность выявления движений небесных тел детектором зависит от ширины его полосы, которая прямо пропорциональна промежуточной частоте.
Графен-детекторы могут работать в диапазоне от 1 до 5 терагерц с шириной полосы более 20 гигагерц, превосходя тем самым нынешние технологии.
Его энергопотребление впечатляюще мало, на несколько порядков меньше, чем у других сверхпроводников. Такое свойство может ограничить квантовые детекторы ТГц, открывая возможности для трёхмерного изображения Вселенной.
Новый детектор из графена потребляет в сравнении с обычными сверхпроводниками, применяемыми в терагерцевых телескопах, менее 0,1% мощности. Вместо микроватт он может использовать всего 0,1 нВт. В то время как сверхпроводящие детекторы генерируют один пиксель, графеновые могут иметь от 1000 до 10000 пикселей.
Ученые предполагают, что массивная решетка детектеров графена позволит регистрировать терагерцевые сигналы на уровне единичного фотона с частотой до одного десятимиллионного.
Такой подход позволит получать изображения обширных регионов соседних галактик и звездных скоплений быстрее. Кроме того, технология может быть очень важна для будущих космических исследований, направленных на выявление происхождения кислорода, углерода, воды и жизни на нашей планете.
Источник: | DOI: 10.1038 / s41550-019-0843-7 | Чалмерский технологический университет