Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers ont démontré un détecteur à base de graphène qui pourrait révolutionner les capteurs utilisés dans les télescopes spatiaux de nouvelle génération. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Astronomie de la nature .

Au-delà des supraconducteurs, il existe peu de matériaux capables de répondre aux exigences nécessaires à la fabrication de détecteurs térahertz (THz) ultra-sensibles et rapides pour l'astronomie. Les chercheurs de Chalmers ont montré que le graphène modifié ajoute un nouveau paradigme matériel pour la détection THz hétérodyne.

"Le graphène pourrait être le seul matériau connu qui reste un excellent conducteur d'électricité/chaleur même lorsqu'il a, effectivement, pas d'électrons. Nous avons atteint un scénario proche de zéro électron dans le graphène, aussi appelée pointe de Dirac, en assemblant à sa surface des molécules acceptant les électrons. Nos résultats montrent que le graphène est un matériau exceptionnellement bon pour la détection hétérodyne THz lorsqu'il est dopé au point Dirac, " dit Samuel Lara-Avila, professeur adjoint au Quantum Device Physics Laboratory et auteur principal de l'article.

La démonstration expérimentale passe par la détection hétérodyne, dans lequel deux signaux sont combinés, ou mixte, à l'aide de graphène. Un signal est une onde de haute intensité à une fréquence THz connue, généré par une source locale (c'est-à-dire un oscillateur local). Le second est un faible signal THz qui imite les ondes venant de l'espace. Le graphène mélange ces signaux et produit ensuite une onde de sortie à une fréquence de gigahertz (GHz) beaucoup plus basse, appelée fréquence intermédiaire, qui peuvent être analysés avec une électronique gigahertz standard à faible bruit. Plus la fréquence intermédiaire peut être élevée, la bande passante plus élevée du détecteur est dit avoir, nécessaires pour identifier avec précision les mouvements à l'intérieur des objets célestes.

Sergueï Cherednichenko, professeur au Terahertz and Millimeter Wave Laboratory et co-auteur de l'article, dit, « Selon notre modèle théorique, ce détecteur de graphène THz a le potentiel d'atteindre un fonctionnement limité quantique pour l'importante gamme spectrale 1-5 THz. De plus, la bande passante peut dépasser 20 GHz, plus de 5 GHz que la technologie de pointe a à offrir."

Un autre aspect crucial pour le détecteur de graphène THz est la puissance extrêmement faible nécessaire à l'oscillateur local pour obtenir une détection fiable des signaux THz faibles, quelques ordres de grandeur inférieurs à ce qu'exigent les supraconducteurs. Cela pourrait permettre des réseaux de détecteurs cohérents THz limités quantiques, ouvrant ainsi la porte à l'imagerie 3D de l'univers.

Elvire De Beck, astronome au Département de l'Espace, Terre et Environnement, qui n'a pas participé à la recherche, explique les implications possibles pour l'astronomie pratique :« Cette technologie à base de graphène a un énorme potentiel pour les futures missions spatiales qui visent à dévoiler comment l'eau, carbone, l'oxygène et la vie elle-même sont venus sur Terre. Un poids léger, Un imageur 3D économe en énergie et limité quantiquement aux fréquences térahertz est crucial pour des tâches aussi ambitieuses. Mais en ce moment, Les imageurs THz 3-D ne sont tout simplement pas disponibles."

Sergueï Koubatkine, professeur au Quantum Device Physics Laboratory et co-auteur de l'article, explique :« Le cœur du détecteur THz est le système de graphène et d'assemblages moléculaires. C'est en soi un nouveau matériau composite 2-D qui mérite une étude plus approfondie d'un point de vue fondamental, car il affiche un tout nouveau régime de transport de charge/chaleur régi par des effets de mécanique quantique."