Udvider vores rækkevidde til kosmos med nye spejlbelægninger

Siden Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) 's banebrydende detektion, i 2015, gravitationsbølger frembragt af et par kolliderende sorte huller, observatoriet, sammen med sin europæiske partnerfacilitet Virgo, har opdaget snesevis af lignende kosmiske rumlen, der sender krusninger gennem rum og tid.

I fremtiden, efterhånden som flere og flere opgraderinger foretages af National Science Foundation-finansierede LIGO-observatorier-et i Hanford, Washington, og den anden i Livingston, Louisiana - faciliteterne forventes at opdage et stadig større antal af disse ekstreme kosmiske begivenheder. Disse observationer vil hjælpe med at løse fundamentale mysterier om vores univers, såsom hvordan sorte huller dannes, og hvordan ingredienserne i vores univers fremstilles.

En vigtig faktor for at øge observatoriernes følsomhed involverer belægningerne på de glasspejle, der ligger i hjertet af instrumenterne. Hvert spejl på 40 kilo (88 pund) (der er fire i hver detektor ved de to LIGO-observatorier) er belagt med reflekterende materialer, der i det væsentlige gør glasset til spejle. Spejlene afspejler laserstråler, der er følsomme over for at passere gravitationsbølger.

Generelt, jo mere reflekterende spejle, jo mere følsomt instrumentet er, men der er en fangst:De belægninger, der får spejlene til at reflektere, kan også føre til baggrundsstøj i instrumentet-støj, der maskerer gravitationsbølgesignaler af interesse.

Nu, en ny undersøgelse foretaget af LIGO -teamet beskriver en ny type spejlbelægning fremstillet af titaniumoxid og germaniumoxid, og skitserer, hvordan det kan reducere baggrundsstøj i LIGO's spejle med en faktor to, derved øger den mængde plads, som LIGO kan sondere med en faktor otte.

"Vi ville finde et materiale på kanten af, hvad der er muligt i dag, "siger Gabriele Vajente, en LIGO senior forsker ved Caltech og hovedforfatter af et papir om det arbejde, der vises i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . "Vores evne til at studere universets astronomisk store skala er begrænset af, hvad der sker i dette meget lille mikroskopiske rum."

"Med disse nye belægninger, vi forventer at kunne øge påvisningshastigheden af ​​gravitationsbølger fra en gang om ugen til en gang om dagen eller mere, "siger David Reitze, administrerende direktør for LIGO Laboratory hos Caltech.

Forskningen, som kan have fremtidige applikationer inden for telekommunikation og halvledere, var et samarbejde mellem Caltech; Colorado State University; universitetet i Montreal; og Stanford University, hvis synkrotron ved SLAC National Accelerator Laboratory blev brugt til karakterisering af belægningerne.

LIGO registrerer krusninger i rumtiden ved hjælp af detektorer kaldet interferometre. I denne opsætning, en kraftig laserstråle er delt i to:Hver stråle bevæger sig ned ad en arm af et stort L-formet vakuumhylster mod spejle 4 kilometer væk. Spejlene afspejler laserstrålerne tilbage til kilden, hvorfra de stammer. Når gravitationsbølger passerer, de vil strække og klemme rummet med næsten umærkelige og alligevel påviselige mængder (meget mindre end bredden af ​​en proton). Forstyrrelserne ændrer tidspunktet for ankomsten af ​​de to laserstråler tilbage til kilden.

Enhver jiggling i spejlene selv-selv de mikroskopiske termiske vibrationer af atomerne i spejlenes belægninger-kan påvirke tidspunktet for laserstrålernes ankomst og gøre det svært at isolere gravitationsbølgesignalerne.

"Hver gang lys passerer mellem to forskellige materialer, en brøkdel af det lys reflekteres, "siger Vajente." Det er det samme, der sker i dine vinduer:Du kan se din svage refleksion i glasset. Ved at tilføje flere lag af forskellige materialer, vi kan forstærke hver refleksion og gøre vores spejle op til 99,999 procent reflekterende. "

"Det vigtige ved dette arbejde er, at vi udviklede en ny måde til bedre at teste materialerne, "siger Vajente." Vi kan nu teste egenskaberne af et nyt materiale på cirka otte timer, fuldstændig automatiseret, da det før tog næsten en uge. Dette tillod os at udforske det periodiske system ved at prøve mange forskellige materialer og en masse kombinationer. Nogle af de materialer, vi prøvede, virkede ikke, men dette gav os indsigt i, hvilke egenskaber der kunne være vigtige. "

Til sidst, forskerne opdagede, at et belægningsmateriale fremstillet af en kombination af titaniumoxid og germaniumoxid spredte mindst energi (svarende til at reducere termiske vibrationer).

"Vi skræddersyede fremstillingsprocessen til at opfylde de strenge krav til optisk kvalitet og reduceret termisk støj fra spejlbelægningerne, "siger Carmen Menoni, professor ved Colorado State University og medlem af LIGO Scientific Collaboration. Menoni og hendes kolleger i Colorado State brugte en metode kaldet ionstråleforstøvning til at belægge spejlene. I denne proces, atomer af titanium og germanium skrælles væk fra en kilde, kombineret med ilt, og derefter aflejret på glasset for at skabe tynde lag af atomer.

Den nye belægning kan bruges til LIGOs femte observationsløb, som begynder i midten af ​​årtiet som en del af Advanced LIGO Plus -programmet. I mellemtiden, LIGOs fjerde observationsløb, den sidste i Advanced LIGO -kampagnen, forventes at starte i sommeren 2022.

"Dette er en game changer til Advanced LIGO Plus, "siger Reitze." Og dette er et godt eksempel på, hvordan LIGO er stærkt afhængig af banebrydende optik og materialevidenskabelig forskning og udvikling. Dette er det største fremskridt inden for udvikling af præcis optisk belægning for LIGO i de sidste 20 år. "