I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno dimostrato un rivelatore a base di grafene che potrebbe rivoluzionare i sensori utilizzati nei telescopi spaziali di prossima generazione. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Astronomia della natura .

Oltre i superconduttori, ci sono pochi materiali che possono soddisfare i requisiti necessari per realizzare rivelatori terahertz (THz) ultrasensibili e veloci per l'astronomia. I ricercatori di Chalmers hanno dimostrato che il grafene ingegnerizzato aggiunge un nuovo paradigma materiale per il rilevamento dell'eterodina THz.

"Il grafene potrebbe essere l'unico materiale conosciuto che rimane un ottimo conduttore di elettricità/calore anche quando ha, effettivamente, nessun elettrone. Abbiamo raggiunto uno scenario di elettroni vicino allo zero nel grafene, detto anche punto di Dirac, assemblando molecole che accettano elettroni sulla sua superficie. I nostri risultati mostrano che il grafene è un materiale eccezionalmente buono per il rilevamento dell'eterodina THz quando drogato al punto Dirac, "dice Samuel Lara-Avila, assistente professore presso il Laboratorio di fisica dei dispositivi quantistici e autore principale dell'articolo.

La dimostrazione sperimentale prevede il rilevamento dell'eterodina, in cui due segnali sono combinati, o misto, usando il grafene. Un segnale è un'onda ad alta intensità a una frequenza THz nota, generato da una sorgente locale (cioè un oscillatore locale). Il secondo è un debole segnale THz che imita le onde provenienti dallo spazio. Il grafene mescola questi segnali e quindi produce un'onda di uscita a una frequenza di gigahertz (GHz) molto più bassa, chiamata frequenza intermedia, che può essere analizzato con elettronica gigahertz standard a basso rumore. Maggiore è la frequenza intermedia può essere, maggiore è la larghezza di banda che si dice abbia il rivelatore, necessaria per identificare con precisione i movimenti all'interno degli oggetti celesti.

Sergey Cherednichenko, professore al Terahertz and Millimeter Wave Laboratory e coautore dell'articolo, dice, "Secondo il nostro modello teorico, questo rivelatore di grafene THz ha il potenziale per raggiungere un'operazione quantistica limitata per l'importante intervallo spettrale 1-5 THz. Inoltre, la larghezza di banda può superare i 20 GHz, maggiore di 5 GHz che lo stato dell'arte della tecnologia all'avanguardia ha da offrire."

Un altro aspetto cruciale per il rilevatore di grafene THz è la potenza estremamente bassa necessaria all'oscillatore locale per ottenere un rilevamento affidabile di deboli segnali THz, pochi ordini di grandezza inferiori a quelli richiesti dai superconduttori. Ciò potrebbe consentire array di rivelatori coerenti THz quantistici limitati, aprendo così la porta all'imaging 3D dell'universo.

Elvire De Beck, astronomo presso il Dipartimento dello Spazio, Terra e Ambiente, chi non ha preso parte alla ricerca, spiega le possibili implicazioni per l'astronomia pratica:"Questa tecnologia basata sul grafene ha un enorme potenziale per future missioni spaziali che mirano a svelare come l'acqua, carbonio, l'ossigeno e la vita stessa arrivarono sulla Terra. Un leggero, imager 3D ad alta efficienza energetica che è limitato quantisticamente a frequenze terahertz è fondamentale per compiti così ambiziosi. Ma al momento, Gli imager 3D THz semplicemente non sono disponibili."

Sergey Kubatkin, professore al Quantum Device Physics Laboratory e coautore del documento, spiega:"Il cuore del rivelatore THz è il sistema di grafene e assemblaggi molecolari. Questo è di per sé un nuovo materiale composito 2-D che merita un'indagine più approfondita da un punto di vista fondamentale, in quanto mostra un regime completamente nuovo di trasporto di carica/calore governato da effetti quantomeccanici."