Nye metamaterialer til at studere det ældste lys i universet

Den kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB, er det elektromagnetiske ekko fra Big Bang, stråling, der har rejst gennem rum og tid siden de allerførste atomer blev født 380, 000 år efter vores univers begyndte. Kortlægning af små variationer i CMB fortæller videnskabsmænd om, hvordan vores univers blev til, og hvad det er lavet af.

For at fange det gamle, koldt lys fra CMB, forskere bruger specialiserede teleskoper udstyret med ultrafølsomme kameraer til at detektere millimeterbølgelængdesignaler. Næste generations kameraer vil indeholde op til 100, 000 superledende detektorer. Fermilab videnskabsmand og University of Chicago lektor Jeff McMahon og hans team har udviklet en ny type metamateriale-baseret antirefleksbelægning til siliciumlinserne, der bruges i disse kameraer.

"Der er mindst et halvt dusin projekter, som ikke ville være mulige uden disse, " sagde McMahon.

Metamaterialer er konstruerede materialer med egenskaber, der ikke er naturligt forekommende. Magien er i mikrostrukturen - lille, gentagne træk, der er mindre end bølgelængden af ​​det lys, de er designet til at interagere med. Disse funktioner bøjer, blokere eller på anden måde manipulere lys på utraditionelle måder.

Generelt, antirefleksbelægninger virker ved at reflektere lys fra hver side af belægningen på en sådan måde, at de reflekterede lyspartikler interfererer og ophæver hinanden, eliminerer refleksion. For McMahons metamaterialer, "belægningen" er en million lille, præcise snit i hver side af hver siliciumlinse. Tæt, funktionerne ligner aftrappede pyramider - tre lag firkantede søjler stablet oven på hinanden. Søjlernes afstand og tykkelse er finjusteret for at skabe den maksimale ødelæggende interferens mellem reflekteret lys.

"Lyset sejler bare lige igennem med en tiendedel af en procents chance for at reflektere, " sagde McMahon.

Enkeltkrystal siliciumlinserne er gennemsigtige for mikrobølger og ultrarene, så lyset, der passerer gennem linsen, ikke bliver absorberet eller spredt af urenheder. Silicium har de nødvendige lysbøjningsegenskaber til at få lys fra teleskopet over på et stort udvalg af sensorer, og den metamateriale struktur sørger for refleksion. Fordi hver linse er lavet af en enkelt ren siliciumkrystal, de kan modstå kryogene temperaturer (detektorerne skal fungere ved 0,1 kelvin) uden risiko for at revne eller skalle som linser med antireflekterende belægninger lavet af et andet materiale.

Alt i alt, disse linser er uden tvivl den bedste teknologi til rådighed for CMB-instrumenter, siger McMahon.

"Det er ikke ligefrem, at du ellers ikke kunne lave eksperimentet, " sagde McMahon, men for den ydeevne og holdbarhed, der kræves af nuværende og næste generation af CMB-undersøgelser, disse linser er topmoderne – og hans team er de eneste mennesker i verden, der laver dem.

McMahon og hans team begyndte at udvikle teknologien for omkring 10 år siden, da de begyndte at arbejde på en ny type detektorarray og indså, at de havde brug for en bedre, mindre reflekterende linse til den. Den svære del, han siger, var ved at finde ud af hvordan man lavede det. Der eksisterede teknikker til at lave mikrometer-nøjagtige snit i flade siliciumwafers, men ingen havde nogensinde brugt dem på en linse før. Den første linse de lavede, for Atacama Cosmology Telescope, kaldet ACT, tog 12 uger at fremstille på grund af det enorme antal snit, der skulle laves. Nu med forbedrede maskiner og automatisering hos Fermilab, processen tager kun fire dage pr. linse, og McMahon håber, at de vil være i stand til at strømline det endnu mere.

Arbejder på University of Michigan indtil januar 2020, McMahons team fremstillede omkring 20 linser til nuværende CMB-eksperimenter, herunder ACTPol, Avanceret ACTPol, KLASSE, TolTEC og PIPER. De producerer nu linser til Simons Observatory, som begynder at indsamle data næste år. Derfra, de vil begynde at lave yderligere linser til CMB-S4 (Cosmic Microwave Background Stage 4), et næste generations projekt, som Fermilab er medlem af. CMB-S4 er planlagt til at begynde at indsamle data i 2027 ved hjælp af 21 teleskoper ved observatorier i Chile og Sydpolen til den mest detaljerede CMB-undersøgelse endnu.

"I det sekund vi er færdige med en linse, det laver videnskab, og det er det, der gør det sjovt for mig, " sagde McMahon. "Alt det metamateriale er cool, men i sidste ende vil jeg bare finde ud af, hvordan universet begyndte, og hvad der er i det."

McMahon sammenligner CMB-S4 med at åbne en skattekiste fuld af guld og juveler. Han og de andre forskere, der bidrager til det, ved ikke præcist, hvad de finder i dataene, men de ved, at det vil være værdifuldt. Selvom de ikke finder primordiale gravitationsbølger – et af projektets hovedmål – vil eksperimentet stadig kaste lys over kosmiske mysterier såsom mørk energi, mørkt stof og neutrinomasser.

Hvad hans team har opnået med deres linseteknologi, McMahon siger, er et vidnesbyrd om den store effekt små indsatser kan have på stor videnskab.

"Bestræbelsen er at begynde at forstå begyndelsen af ​​universet, " sagde han. "Og måden vi gør det på er ved at finde ud af, hvordan man bearbejder små funktioner i silicium."