Een multi-institutionele groep onderzoekers heeft nieuwe metamateriaaltegels ontwikkeld die de gevoeligheid zullen helpen verbeteren van telescopen die worden gebouwd op het vooraanstaande Simons Observatorium in Chili. De tegels zijn verwerkt in ontvangers die in 2022 in het observatorium zullen worden ingezet.

Het Simons Observatorium is het centrum van een ambitieuze poging om de kosmische microgolfachtergrond te meten - elektromagnetische straling die is overgebleven uit een vroeg stadium van het universum - met behulp van enkele van 's werelds grootste en meest geavanceerde telescopen op de grond. Deze metingen zullen ons helpen beter te begrijpen hoe het heelal begon, waar het van gemaakt is en hoe het evolueerde tot wat het nu is.

"De Simons Observatory-telescopen zullen een nieuwe ultragevoelige millimetergolfcamera gebruiken om het nagloeien van de oerknal met ongekende gevoeligheid te meten, " zei hoofdauteur Zhilei Xu van de Universiteit van Pennsylvania. "We hebben een nieuwe, goedkope absorberende tegel ontwikkeld die in de camera zal worden gebruikt om milieu-emissies te absorberen die de signalen die we willen meten kunnen verdoezelen."

In het tijdschrift Optical Society (OSA) Toegepaste optica , de onderzoekers laten zien dat de metamateriaal microgolftegels die ze ontwikkelden meer dan 99 procent van de millimetergolfstraling absorberen en hun absorberende eigenschappen behouden bij de extreem lage temperaturen waarin de millimetergolfcamera werkt.

"Omdat de tegels gemaakt kunnen worden door in de handel verkrijgbare materialen te spuitgieten, ze zijn een economische, massaproductie en eenvoudig te installeren oplossing voor een al lang bestaand probleem, " zei Xu. "Met deze technologie, het Simons Observatorium zal ons begrip van het universum vanuit vele aspecten transformeren, inclusief het begin van het heelal, de vorming en evolutie van de sterrenstelsels en de ontsteking van de eerste sterren."

Werken bij lage temperaturen

Op de grond gebaseerde millimetergolftelescopen gebruiken ontvangers die worden gekoeld tot cryogene temperaturen om ruis te verminderen en zo de gevoeligheid te vergroten. De technologie van de ontvanger is zo ver gevorderd dat elke hoeveelheid strooilicht het beeld kan verslechteren en tegelijkertijd de gevoeligheid van de detector kan verminderen. Een betere manier om strooilicht in de ontvangers te onderdrukken, zou hun gevoeligheid voor de zeer zwakke signalen die van diep in de ruimte komen verder vergroten.

Echter, het is een hele uitdaging om een ​​materiaal te ontwikkelen dat strooilicht kan onderdrukken terwijl het bij zulke extreem lage temperaturen werkt. Eerdere pogingen resulteerden in materialen die ofwel niet effectief konden worden gekoeld tot cryogene temperaturen ofwel niet de noodzakelijke combinatie van lage reflectie en hoge absorptie bereikten. Andere oplossingen zijn ook vaak moeilijk te installeren of een uitdaging om massaal te produceren.

Om deze uitdagingen te overwinnen, de onderzoekers wendden zich tot metamaterialen omdat ze kunnen worden ontworpen om specifieke eigenschappen te bereiken die niet in de natuur voorkomen. Na complexe elektromagnetische simulatiestudies, de onderzoekers ontwierpen metamaterialen op basis van een materiaal dat koolstofdeeltjes en plastic combineerde.

Reflectie verminderen

Hoewel de kunststofcomposiet een hoge absorptie vertoonde in het gewenste microgolfgebied van het elektromagnetische spectrum, het oppervlak weerkaatste een aanzienlijke hoeveelheid straling voordat het in het te absorberen materiaal kon komen. Om de reflectie te verminderen, de onderzoekers voegden een antireflectiecoating toe die op maat was gemaakt met behulp van spuitgieten.

"Het oppervlak met lage reflectie in combinatie met bulkmateriaal met hoge absorptie zorgde ervoor dat de metamateriaal-absorberende tegels uitstekende onderdrukking van ongewenste signalen konden leveren bij cryogene temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, " zei Xu.

Nadat we ervoor hadden gezorgd dat tegels gemaakt van het nieuwe metamateriaal mechanisch thermische cycli van kamertemperatuur tot cryogene temperaturen konden overleven, de onderzoekers bevestigden dat ze effectief konden worden gekoeld tot -272°C (-458°F) en maten vervolgens hun optische prestaties. "We hebben een testfaciliteit op maat ontwikkeld om de prestaties van de tegels met hoge betrouwbaarheid te meten, " zei Grace Chesmore, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Chicago die de optische metingen van dit onderzoek leidde. De testen toonden aan dat het metamateriaal uitstekende reflectie-eigenschappen vertoonde met lage verstrooiing en dat het bijna alle binnenkomende fotonen absorbeerde.

"Naarmate de detectorgevoeligheid voor millimetergolftelescopen blijft verbeteren, het wordt cruciaal om verstrooide fotonen te beheersen, "zei Xu. "De succesvolle combinatie van een metamateriaal en spuitgietproductie opent veel mogelijkheden voor het ontwerpen van wetenschappelijk instrumenten met millimetergolven."