Metamaterialefliser øger følsomheden for store teleskoper

En multiinstitutionel forskergruppe har udviklet nye metamaterialefliser, der hjælper med at forbedre følsomheden af ​​teleskoper, der bygges på det fremtrædende Simons-observatorium i Chile. Fliserne er blevet indarbejdet i modtagere, der vil blive indsat på observatoriet inden 2022.

Simons-observatoriet er centrum for en ambitiøs indsats for at måle den kosmiske mikrobølge-baggrund-elektromagnetisk stråling tilbage fra et tidligt stadie af universet-ved hjælp af nogle af verdens største og mest sofistikerede jordbaserede teleskoper. Disse målinger vil hjælpe med at forbedre vores forståelse af, hvordan universet begyndte, hvad det er lavet af, og hvordan det udviklede sig til det, det er i dag.

"Simons Observatory-teleskoper vil bruge et nyt ultrafølsomt millimeterbølge-kamera til at måle efterglødet af big bang med en hidtil uset følsomhed, "sagde hovedforfatter Zhilei Xu fra University of Pennsylvania." Vi udviklede en ny billig absorberende flise, der vil blive brugt i kameraet til at absorbere miljøemissioner, der kan skjule de signaler, vi ønsker at måle. "

I Optical Society (OSA) tidsskrift Anvendt optik , forskerne viser, at metamaterialet mikrobølge fliser, de udviklede, absorberer mere end 99 procent af millimeterbølgestråling og bevarer deres absorberende egenskaber ved de ekstremt lave temperaturer, hvor millimeterbølge-kameraet fungerer.

"Fordi fliserne kan fremstilles ved sprøjtestøbning af kommercielt tilgængelige materialer, de er økonomiske, masseproducerbar og let at installere løsning på det, der har været et mangeårigt problem, "sagde Xu." Med denne teknologi, Simons -observatoriet vil transformere vores forståelse af universet fra mange aspekter, inklusive universets begyndelse, dannelsen og udviklingen af ​​galakserne og antændelsen af ​​de første stjerner. "

Arbejde ved lave temperaturer

Jordbaserede millimeterbølgeteleskoper bruger modtagere, der afkøles til kryogene temperaturer for at reducere støj og dermed øge følsomheden. Modtagerteknologi er avanceret til det punkt, hvor enhver mængde af vild lys kan forringe billedet og samtidig reducere følsomheden af ​​detektoren. En bedre måde at undertrykke vild lys i modtagerne vil yderligere øge deres følsomhed over for de meget svage signaler, der kommer dybt inde i rummet.

Imidlertid, Det er ganske udfordrende at udvikle et materiale, der kan undertrykke vild lys, mens det arbejder ved så ekstremt lave temperaturer. Tidligere forsøg resulterede i materialer, der enten ikke kunne afkøles effektivt til kryogene temperaturer eller ikke opnåede den nødvendige kombination af lav reflektans og høj absorption. Andre løsninger har også tendens til at være vanskelige at installere eller udfordrende at masseproducere.

For at overvinde disse udfordringer, forskerne vendte sig til metamaterialer, fordi de kan konstrueres til at opnå specifikke egenskaber, der ikke forekommer i naturen. Efter komplekse elektromagnetiske simuleringsundersøgelser, forskerne designede metamaterialer baseret på et materiale, der kombinerede kulpartikler og plast.

Reducering af refleksion

Selvom plastkomposit udviste høj absorption i det ønskede mikrobølgeområde i det elektromagnetiske spektrum, overfladen reflekterede en betydelig mængde stråling, før den kunne komme ind i materialet, der skulle absorberes. For at reducere refleksionen, forskerne tilføjede en antireflekterende belægning, der blev skræddersyet ved hjælp af sprøjtestøbning.

"Overfladen med lav refleksion kombineret med højabsorberende bulkmateriale tillod metamaterialets absorberfliser at levere fremragende undertrykkelse af uønskede signaler ved kryogene temperaturer tæt på absolut nul, "sagde Xu.

Efter at have sikret, at fliser fremstillet af det nye metamateriale mekanisk kunne overleve termiske cyklusser fra stuetemperaturer til kryogene temperaturer, forskerne verificerede, at de effektivt kunne afkøles til -272 ° C (-458 ° F) og derefter målte deres optiske ydeevne. "Vi udviklede en brugerdefineret testfacilitet til at måle flisernes ydeevne med høj kvalitet, "sagde Grace Chesmore, en kandidatstuderende ved University of Chicago, der ledede de optiske målinger af denne forskning. Testen viste, at metamaterialet udviste fremragende reflektansegenskaber med lav spredning, og at det absorberede næsten alle de indkommende fotoner.

"Efterhånden som detektorfølsomheden fortsat forbedres for millimeterbølge-teleskoper, det bliver afgørende at kontrollere spredte fotoner, "sagde Xu." Den vellykkede kombination af et metamateriale og sprøjtestøbefremstilling åbner mange muligheder for millimeterbølge-instrument videnskabeligt instrumentdesign. "