De kosmische microgolfachtergrond, of CMB, is de elektromagnetische echo van de oerknal, straling die door ruimte en tijd reist sinds de allereerste atomen werden geboren 380, 000 jaar nadat ons universum begon. Het in kaart brengen van minuscule variaties in de CMB vertelt wetenschappers over hoe ons universum is ontstaan ​​​​en waaruit het is gemaakt.

Om de oude vast te leggen, koud licht van de CMB, onderzoekers gebruiken gespecialiseerde telescopen die zijn uitgerust met ultragevoelige camera's voor het detecteren van millimetergolflengtesignalen. De volgende generatie camera's bevatten maximaal 100, 000 supergeleidende detectoren. Fermilab-wetenschapper en universitair hoofddocent Jeff McMahon van de Universiteit van Chicago en zijn team hebben een nieuw type op metamaterialen gebaseerde antireflectiecoating ontwikkeld voor de siliconenlenzen die in deze camera's worden gebruikt.

"Er zijn minstens een half dozijn projecten die niet mogelijk zouden zijn zonder deze, ' zei Mc Mahon.

Metamaterialen zijn geconstrueerde materialen met eigenschappen die van nature niet voorkomen. De magie zit in de microstructuur - klein, herhalende kenmerken die kleiner zijn dan de golflengte van het licht waarmee ze zijn ontworpen om te interageren. Deze functies buigen, licht op onconventionele manieren blokkeren of anderszins manipuleren.

Over het algemeen, antireflectiecoatings werken door het licht van elke kant van de coating zo te reflecteren dat de gereflecteerde lichtdeeltjes interfereren en elkaar opheffen, reflectie te elimineren. Voor de metamaterialen van McMahon, de "coating" is een miljoen klein, precieze sneden in elke kant van elke siliconenlens. Dichtbij, de functies zien eruit als getrapte piramides - drie lagen vierkante pilaren die op elkaar zijn gestapeld. De afstand en dikte van de pilaren zijn nauwkeurig afgesteld om de maximale destructieve interferentie tussen gereflecteerd licht te creëren.

"Licht gaat er gewoon doorheen met een tiende procent kans op weerkaatsing, ' zei Mc Mahon.

De monokristallijne siliconen lenzen zijn transparant voor microgolven en ultrapuur, zodat het licht dat door de lens gaat niet wordt geabsorbeerd of verstrooid door onzuiverheden. Silicium heeft de nodige lichtbuigende eigenschappen om licht van de telescoop op een groot aantal sensoren te krijgen, en de metamateriaalstructuur zorgt voor reflectie. Omdat elke lens is gemaakt van een enkel zuiver siliciumkristal, ze zijn bestand tegen cryogene temperaturen (de detectoren moeten op 0,1 kelvin werken) zonder het risico van barsten of afbladderen, zoals lenzen met antireflectiecoatings gemaakt van een ander materiaal.

Alles verteld, deze lenzen zijn misschien wel de beste technologie die beschikbaar is voor CMB-instrumenten, zegt Mc Mahon.

"Het is niet precies dat je het experiment anders niet zou kunnen doen, "Mc Mahon zei, maar voor de prestaties en duurzaamheid die worden geëist door huidige en volgende generatie CMB-onderzoeken, deze lenzen zijn state-of-the-art - en zijn team zijn de enige mensen ter wereld die ze maken.

McMahon en zijn team begonnen de technologie ongeveer 10 jaar geleden te ontwikkelen toen ze begonnen te werken aan een nieuw type detectorarray en zich realiseerden dat ze een betere, minder reflecterende lens om mee te gaan. Het moeilijke deel, hij zegt, was aan het uitzoeken hoe het te maken. Er waren technieken om micrometer-nauwkeurige sneden te maken in platte siliciumwafels, maar niemand had ze ooit eerder op een lens aangebracht. De eerste lens die ze maakten, voor de Atacama Kosmologie Telescoop, genaamd ACT, duurde 12 weken om te fabriceren vanwege het enorme aantal bezuinigingen dat moest worden gemaakt. Nu met verbeterde machines en automatisering bij Fermilab, het proces duurt slechts vier dagen per lens, en McMahon hoopt dat ze het nog verder kunnen stroomlijnen.

Werkzaam bij de University of Michigan tot januari 2020, Het team van McMahon heeft ongeveer 20 lenzen gefabriceerd voor huidige CMB-experimenten, waaronder ACTPol, Geavanceerde ACTPol, KLAS, TolTEC en PIPER. Ze produceren nu lenzen voor het Simons Observatorium, die volgend jaar begint met het verzamelen van gegevens. Vanaf daar, ze zullen beginnen met het maken van extra lenzen voor CMB-S4 (Cosmic Microwave Background Stage 4), een project van de volgende generatie waar Fermilab lid van is. Het is de bedoeling dat de CMB-S4 in 2027 begint met het verzamelen van gegevens met behulp van 21 telescopen bij observatoria in Chili en de Zuidpool voor het meest gedetailleerde CMB-onderzoek tot nu toe.

"Zodra we een lens afmaken, het doet wetenschap, en dat maakt het voor mij leuk, "Zei McMahon. "Al het metamateriaal is cool, maar aan het eind van de dag wil ik er gewoon achter komen hoe het universum is begonnen en wat erin zit."

McMahon vergelijkt CMB-S4 met het openen van een schatkist vol goud en juwelen. Hij en de andere onderzoekers die eraan bijdragen, weten niet precies wat ze in de gegevens zullen vinden, maar ze weten dat het waardevol zal zijn. Zelfs als ze geen oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven vinden - een van de belangrijkste doelen van het project - zal het experiment toch licht werpen op kosmische mysteries zoals donkere energie, donkere materie en neutrinomassa's.

Wat zijn team heeft bereikt met hun lenstechnologie, McMahon zegt, is een bewijs van het buitensporige effect dat kleine inspanningen kunnen hebben op grote wetenschap.

"Het streven is om het begin van het universum te begrijpen, " zei hij. "En de manier waarop we het doen is door uit te zoeken hoe we kleine functies in silicium kunnen bewerken."