Forskare har skapat en ny magnetisk spegelbaserad enhet som en dag kan hjälpa kosmologer att upptäcka nya detaljer om krusningar i rymdtid som kallas gravitationella vågor, särskilt de som släpptes ut när universum var extremt ung.

Det nya arbetet är en del av ett multinstitutionellt samarbete som finansieras av European Space Agency (ESA) teknikforskningsprogram för att utveckla teknik som är nödvändig för framtida experiment, till exempel det föreslagna satellituppdragsprogrammet Cosmic Origins Explorer. Detta rymduppdrag syftar till att förvärva hög precision, fullhimmelskartor över den kosmiska mikrovågsbakgrunden-relikatutsläppet som överlevde sedan Big Bang.

Kosmisk mikrovågsbakgrund har varit föremål för intensiv utredning sedan dess upptäckt för cirka 50 år sedan. De senaste åren har man sett ett ökat fokus på de polariserade komponenterna i denna mikrovågsbakgrund-särskilt en komponent som kallas B-läge, som antas innehålla nyckeln till information om ur gravitationella vågor och de fysiska processer som inträffade mycket tidigt i universums historia.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Tillämpad optik , forskarna demonstrerade en ny typ av polarisationsmodulator baserad på en magnetisk spegel. Den nya enheten kan övervinna en stor utmaning för att upptäcka polarisering i B-läge-möjligheten att modulera mikrovågspolarisering över ett brett frekvensområde. Bredbandsdrift är nödvändigt för att spektral diskriminera den extremt svaga B-modspolarisationen från förstrålningen från andra astrofysiska källor.

"Vi, som andra, har arbetat i över två decennier med utveckling av teknik som skulle möjliggöra upptäckt av polarisering i B-läge, "sa Giampaolo Pisano, Cardiff University, STORBRITANNIEN, tidningens första författare. "Detta har visat sig vara ett utmanande problem eftersom endast en liten del av den totala signalen uppvisar denna polarisering."

Utvecklar tekniken

En nyckelkomponent för att detektera strålning i B-läge är en halvvågsplatta, en anordning som används för att modulera polarisationen av elektromagnetisk strålning. Om halvvågsplattan roteras får polarisationen av strålningen också att rotera, skapa ett oscillerande mönster som kan särskiljas från den konstanta signalen om opolariserad strålning.

Tidigare implementeringar av dessa halvvågsplattor har resulterat i i sig smalbandiga enheter på grund av antingen de optiska egenskaperna hos tillgängliga material eller den konstruktion som används. Drift över ett brett spektrum av våglängder är avgörande för att skilja B-mode-polarisering från det tidiga universum från signaler från andra källor.

"Det mesta av arbetet med teknikutveckling har syftat till att göra optiska komponenter som fungerar över större bandbredder, "sade Pisano." En enhet som täcker ett brett frekvensintervall skulle kraftigt förbättra prestandan för komplex rymdburen instrumentering. "

I det nya arbetet, Pisano och hans kollegor försökte ett helt nytt tillvägagångssätt som använder metamaterial - konstgjorda material konstruerade med funktioner som inte finns i naturmaterial - för att skapa en magnetisk spegel som de kombinerade med ett polariserande trådnät.

"Metamaterial gjorde det möjligt för oss att uppfinna ett material med de egenskaper vi behövde, "sa Pisano." Eftersom metoden vi använde är ny, det gjorde det möjligt för oss att övervinna de gränser som andra forskare har mött. "

Deras nya metod drar fördel av det faktum att reflektionen från en konstgjord magnetisk yta kommer att vara ur fas från den som reflekteras från en perfekt elektrisk ledare, eller metall. Genom att lägga trådnätet till den magnetiska spegeln kan en polarisation "se" metallgallret, medan ortogonalt polariserad strålning reflekteras från den magnetiska spegeln. Den resulterande enheten kan ändra polarisering över ett stort mikrovågsfrekvensområde.

Prototypenheten som visas i papperet fungerar från cirka 100 till 400 gigahertz med mer än 90 procent effektivitet, vilket betyder att mindre än 10 procent av signalen gick förlorad. Forskarna säger att med några mindre justeringar, de förväntar sig att uppnå ännu större bandbredd och högre effektivitet.

Förbereder sig för rymden

Med en diameter på 20 centimeter prototypenheten är en miniatyriserad version av den som i slutändan kan behövas för Cosmic Origins Explorer -satelliten. Forskarna arbetar nu med att utveckla en halvmeterversion, med det slutliga målet att utveckla en slutanordning med mer än en meter i diameter. Att göra en så stor enhet med den precision som krävs kommer att kräva nya faciliteter och nya metoder för att hantera enheten under de olika tillverkningsstegen, utvecklingen som forskarna säger kommer sannolikt att vara lika svår som att utveckla det ursprungliga konceptet.

"Nu när vi har demonstrerat konceptet, vi måste utföra rymdkvalificeringstester för att visa dess robusthet för en satellitsändning, "sa Pisano." Vi måste också använda den i markbaserade B-mode-detektionsinstrument för att visa dess användbarhet i fältet. "