Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han demostrado un detector hecho de grafeno que podría revolucionar los sensores utilizados en los telescopios espaciales de próxima generación. Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista científica Astronomía de la naturaleza .

Más allá de los superconductores, hay pocos materiales que puedan cumplir con los requisitos necesarios para fabricar detectores ultrasensibles y rápidos de terahercios (THz) para astronomía. Los investigadores de Chalmers han demostrado que el grafeno modificado añade un nuevo paradigma de material para la detección de heterodinos THz.

"El grafeno podría ser el único material conocido que sigue siendo un excelente conductor de electricidad / calor incluso cuando tiene, efectivamente, sin electrones. Hemos alcanzado un escenario cercano a cero electrones en el grafeno, también llamado punto de Dirac, ensamblando moléculas aceptoras de electrones en su superficie. Nuestros resultados muestran que el grafeno es un material excepcionalmente bueno para la detección de heterodinos THz cuando se dopa al punto de Dirac. "dice Samuel Lara-Avila, profesor asistente en el Laboratorio de Física de Dispositivos Cuánticos y autor principal del artículo.

La demostración experimental implica la detección de heterodinos, en el que se combinan dos señales, o mixto, usando grafeno. Una señal es una onda de alta intensidad a una frecuencia THz conocida, generado por una fuente local (es decir, un oscilador local). La segunda es una débil señal de THz que imita las ondas que vienen del espacio. El grafeno mezcla estas señales y luego produce una onda de salida a una frecuencia de gigahercios (GHz) mucho más baja, llamada frecuencia intermedia, que se puede analizar con electrónica estándar de gigahertz de bajo ruido. Cuanto mayor sea la frecuencia intermedia, cuanto mayor sea el ancho de banda que se dice que tiene el detector, necesario para identificar con precisión los movimientos dentro de los objetos celestes.

Sergey Cherednichenko, profesor del Laboratorio de Terahercios y Ondas Milimétricas y coautor del artículo, dice, "Según nuestro modelo teórico, este detector de grafeno THz tiene el potencial de alcanzar un funcionamiento de limitación cuántica para el importante rango espectral de 1-5 THz. Es más, el ancho de banda puede superar los 20 GHz, más grande que 5 GHz que la tecnología más avanzada tiene para ofrecer ".

Otro aspecto crucial para el detector de grafeno THz es la potencia extremadamente baja necesaria para que el oscilador local logre una detección confiable de señales débiles de THz. pocos órdenes de magnitud inferiores a los que requieren los superconductores. Esto podría permitir matrices de detectores coherentes THz limitados cuánticamente, abriendo así la puerta a las imágenes tridimensionales del universo.

Elvire De Beck, astrónomo del Departamento del Espacio, Tierra y Medio Ambiente, que no participó en la investigación, explica las posibles implicaciones para la astronomía práctica:"Esta tecnología basada en grafeno tiene un enorme potencial para futuras misiones espaciales que tienen como objetivo revelar cómo el agua, carbón, el oxígeno y la vida misma llegaron a la Tierra. Un peso ligero El generador de imágenes 3-D de potencia eficaz que tiene limitación cuántica a frecuencias de terahercios es crucial para tareas tan ambiciosas. Pero en el momento, Los lectores de imágenes THz 3-D simplemente no están disponibles ".

Sergey Kubatkin, profesor del Laboratorio de Física de Dispositivos Cuánticos y coautor del artículo, explica:"El núcleo del detector de THz es el sistema de grafeno y ensamblajes moleculares. Este es en sí mismo un nuevo material compuesto 2-D que merece una investigación más profunda desde un punto de vista fundamental, ya que muestra un régimen completamente nuevo de transporte de carga / calor gobernado por efectos mecánicos cuánticos ".