グラフェン検出器が宇宙望遠鏡を1,000倍良くする

・新しい設計されたグラフェンの形は、宇宙望遠鏡技術に革命をもたらすことができます。

・これにより、近くの銀河や星形成雲の広い領域をより短時間で正確に画像化できるようになります。

・新しいグラフェン検出器はテラヘルツ望遠鏡で使用されている従来の超伝導体と比べて、電力を0.1％未満しか使用しません。

テラヘルツ周波数範囲（100 GHz – 10 Thz）で宇宙を観ると、天文学者が星や惑星の物理学と化学を詳しく観測するのに役立つ可能性があります。

テラヘルツ波（波長は赤外線よりもはるかに長い）は、ほこりのようなガス雲の後ろに隠れているものを明らかにすることができます。 最新の宇宙望遠鏡はテラヘルツ周波数の範囲で観測を行うことができますが、動作するには高エネルギー（マイクロワット単位）が必要です。

最近、スウェーデンのチャルマース工科大学の研究チームは、宇宙望遠鏡でいくつかの材料をし、高速テラヘルツと超高感度検出を可能にしました。 彼らは宇宙望遠鏡技術に革命を起こすことができるグラフェン（炭素原子の単層）を設計しました。

なぜグラフェンなのか?

グラフェンには、他の材料とは違う独自の特性があります。 たとえば、グラフェンの密度は鋼よりはるかに低いですが、最強の鋼のほぼ100倍の強度があります。 また、電気と熱を効率的に伝導し、ほぼ透明です。

この研究では、研究者は、グラフェンの表面に電子受容分子を配置することで、グラフェンのディラックポイントを達成することができました。 結果、グラフェンが他の超伝導体と比較して信じられないほどうまく機能することがわかりました。ディラックポイントに加えると、THzヘテロダイン検出が効率的にできます。

どのように作用するのか?

ヘテロダイン検出では、グラフェンを使用して2つの信号が結合されます。

1) 最初の信号は、局部発振器によって生成された高強度の波です。
2) もう1つは、宇宙から来る波のようなTHz信号です。

グラフェンは両方の信号を組み合わせて、中間周波数と呼ばれるはるかに低い周波数（GHz）で新しい波を生成します。 ここで作られた波は、従来の低ノイズギガヘルツ機器で調べることができます。

グラフェンによって混合される2つのテラヘルツ波（赤）を示す図| 研究者から提供

検出器の帯域幅（天体の動きを正確に検出するために必要）は、中間周波数に正比例します。

理論的には、グラフェンベースの検出器は1〜5THzのスペクトル範囲を実現できます。 帯域幅は20GHz以上に達する事ができ、これは既存の技術をはるかに超えています。

さらに特徴的なのは、この検出器の消費エネルギーが非常に低く、他の超伝導体よりも数桁少ないことです。 また、量子制限されたTHzコヒーレント検出器を有効にして、宇宙の3次元イメージングの新しいやり方を開発することもできます。

新しいグラフェン検出器はテラヘルツ望遠鏡で使用されている従来の超伝導体と比べて、電力を0.1％未満しか使用しません。 マイクロワットの代わりに0.1ナノワットを使用します。 超伝導検出器が単一のピクセルを生成する場合、新しいグラフェン検出器は1,000〜10,000ピクセルになります。

研究者は、グラフェンTHz検出器の主要なマトリックスを、テラヘルツ信号を単一光子スケールまで、周波数を1/10百万まで測定できると言っています。

これにより、近くの銀河や星形成雲の広い領域をより短時間でイメージングできるようになります。 さらに、この技術は、酸素、炭素、水、生命が地球上でどのように発生したかを明らかにすることを目的とした将来の宇宙プロジェクトに非常に役立つ可能性があります。