石墨烯为太赫兹天文探测器带来光明

Photo: Event Horizon Telescope Collaboration

　　单层碳膜在天文上的新应用也可能催生衍生技术。

　　近日，一款新研发的石墨烯制成的探测器可能会在微波和红外光之间的一个辐射带上带来新的天文观测波。包括医学成像、遥感和制造业在内的应用最终也可能成为这种探测器的受益者。

　　微波和无线电波辐射在以千赫兹或兆赫为单位测量的频率上振荡，其速度慢得足以在传统电路和计算机系统中进行操作和电子处理。红外范围内的光（频率从 20 太赫兹开始）可以由传统光学器件控制，并由传统的 CCD 成像。

　　但是在微波和红外线之间的无人区（被称为“太赫兹间隙”）是一个具有挑战性的波段，尽管天文学家在这个波段观察宇宙并非完全不可能。

　　要从天文学的来源观测太赫兹波，首先需要升到大气层以上，或者至少升到地球大气层还没有完全熄灭信号的高度。瑞典查尔默斯理工大学微技术与纳米科学系副研究员 Samuel Lara-Avila 表示，目前太赫兹天文学的最新进展是利用超导探测器进行的。

　　智利的 Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)和南极望远镜等天文台可能会使用这种探测器和本地振荡器，以非常接近天文学家试图探测的目标信号的频率输出参考信号。例如，如果望远镜在 1 太赫兹寻找辐射，在 1.001 太赫兹处增加一个本振会产生一个拍频在 1 千兆赫（0.001 太赫兹）范围内的组合信号。而千兆赫兹信号代表的是一个数据流，它不会压倒计算机跟踪它的能力。

　　这听起来似乎很简单。但问题是：根据 Lara-Avila 的说法，超导探测器需要相对强大的本地振荡器，即工作在微瓦功率附近的振荡器。（听起来可能不多，但探测器在低温下工作。所以一点点的本振功率可以起到很大的作用。）

　　相比之下，新的石墨烯探测器所需的本振功率将小于一毫瓦，或者说减少三个数量级。结果是：在这种情况下，超导探测器可能会在天空中产生一个像素的分辨率，而新的石墨烯技术可以使探测器的分辨率高达 1000 像素。

　　也许在太赫兹或近太赫兹天文学中最著名的观测是由事件视界望远镜（上图），它在本月早些时候获得了基础物理学的突破奖。根据维基百科的数据，它的一些工作频率在 0.23 到 0.45 太赫兹之间。

　　最近一期的《自然天文学》杂志介绍了由 Lara-Avila 及其同事在瑞典、芬兰和英国首创的石墨烯探测器。