Magnetisk spejl kunne kaste nyt lys over gravitationsbølger og det tidlige univers

Forskere har skabt en ny magnetisk spejlbaseret enhed, der en dag kunne hjælpe kosmologer med at opdage nye detaljer om krusninger i rumtiden kendt som gravitationsbølger, især dem, der blev udsendt, da universet var ekstremt ungt.

Det nye arbejde er en del af et multi-institutionelt samarbejde finansieret af European Space Agency (ESA) teknologiforskningsprogram for at udvikle teknologier, der er nødvendige for fremtidige eksperimenter, såsom det foreslåede Cosmic Origins Explorer-satellitmissionsprogram. Denne rummission har til formål at opnå høj præcision, fulde himmelkort over den kosmiske mikrobølgebaggrund - relikviemissionen, der overlevede siden Big Bang.

Kosmisk mikrobølgebaggrund har været genstand for intens undersøgelse siden dens opdagelse for omkring 50 år siden. De seneste år har der set et øget fokus på de polariserede komponenter i denne mikrobølgebaggrund – især en komponent kaldet B-mode, som menes at have nøglen til information om primordiale gravitationsbølger og de fysiske processer, der fandt sted meget tidligt i universets historie.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Anvendt optik , forskerne demonstrerede en ny type polarisationsmodulator baseret på et magnetisk spejl. Den nye enhed kunne overvinde en stor udfordring med at detektere B-mode polarisering - evnen til at modulere mikrobølgepolarisering over et bredt frekvensområde. Bredbåndsdrift er nødvendig for spektralt at skelne den ekstremt svage B-mode polarisering fra forgrundsstrålingen fra andre astrofysiske kilder.

"Vi, ligesom andre, har arbejdet i over to årtier på udviklingen af ​​teknologier, der ville muliggøre detektering af B-mode polarisering, " sagde Giampaolo Pisano, Cardiff University, Storbritannien, avisens første forfatter. "Dette har vist sig at være et udfordrende problem, fordi kun en lille del af det samlede signal udviser denne polarisering."

Udvikling af teknologien

En nøglekomponent til detektering af B-mode stråling er en halvbølgeplade, en enhed, der bruges til at modulere polariseringen af ​​elektromagnetisk stråling. Rotation af halvbølgepladen får polariseringen af ​​strålingen til også at rotere, skabe et oscillerende mønster, der kan skelnes fra det konstante signal fra upolariseret stråling.

Tidligere implementeringer af disse halvbølgeplader har resulteret i iboende smalbåndsanordninger på grund af enten de optiske egenskaber af tilgængelige materialer eller det anvendte design. Operation over en bred vifte af bølgelængder er afgørende for at skelne B-mode polarisering, der stammer fra det tidlige univers, fra signaler, der stammer fra andre kilder.

"Det meste af indsatsen inden for teknologiudvikling har været rettet mod at lave optiske komponenter, der fungerer over større båndbredder, " sagde Pisano. "En enhed, der dækker et bredt frekvensområde, ville i høj grad forbedre ydeevnen af ​​kompleks rumbåren instrumentering."

I det nye værk, Pisano og hans kolleger prøvede en helt ny tilgang, der bruger metamaterialer – menneskeskabte materialer konstrueret med funktioner, der ikke findes i naturlige materialer – til at skabe et magnetisk spejl, som de kombinerede med et polariserende trådnet.

"Metamaterialer gjorde det muligt for os at opfinde et materiale med de egenskaber, vi havde brug for, " sagde Pisano. "Fordi den tilgang, vi brugte, er ny, det gjorde det muligt for os at overvinde frekvensområdets grænser, som andre forskere har stået over for."

Deres nye metode udnytter det faktum, at reflektionen fra en kunstig magnetisk overflade vil være ude af fase fra den, der reflekteres fra en perfekt elektrisk leder, eller metal. Tilføjelse af trådnettet til det magnetiske spejl tillader en polarisering at "se" metalgitteret, mens ortogonalt polariseret stråling reflekteres fra det magnetiske spejl. Den resulterende enhed kan ændre polarisering over et stort mikrobølgefrekvensområde.

Prototypenheden, der er demonstreret i papiret, fungerer fra omkring 100 til 400 gigahertz med mere end 90 procent effektivitet, hvilket betyder, at mindre end 10 procent af signalet gik tabt. Forskerne siger, at med nogle mindre justeringer, de forventer at opnå endnu større båndbredde og højere effektivitet.

Gør klar til pladsen

20 centimeter på tværs, prototypen er en miniaturiseret version af den, der i sidste ende kunne være nødvendig for Cosmic Origins Explorer-satellitten. Forskerne arbejder nu på at udvikle en halvmeter version, med det ultimative mål at udvikle en endelig enhed på mere end en meter i diameter. At lave en så stor enhed med den nødvendige præcision vil kræve nye faciliteter og nye metoder til at håndtere enheden under de forskellige fremstillingstrin, udviklinger, som forskerne siger, vil sandsynligvis være lige så vanskelige som at udvikle det oprindelige koncept.

"Nu hvor vi har demonstreret konceptet, vi er nødt til at udføre rumkvalifikationstests for at demonstrere dens robusthed til en satellitopsendelse, " sagde Pisano. "Vi er også nødt til at implementere det i jordbaserede B-mode detektionsinstrumenter for at demonstrere dets anvendelighed i marken."