En multi-institutionell grupp av forskare har utvecklat nya metamaterialplattor som kommer att bidra till att förbättra känsligheten hos teleskop som byggs vid det framstående Simons Observatory i Chile. Plattorna har införlivats i mottagare som kommer att placeras ut vid observatoriet 2022.

Simons Observatory är centrum för ett ambitiöst försök att mäta den kosmiska mikrovågsbakgrunden – elektromagnetisk strålning som blivit över från ett tidigt skede av universum – med hjälp av några av världens största och mest sofistikerade markbaserade teleskop. Dessa mätningar kommer att hjälpa oss att förbättra vår förståelse av hur universum började, vad den är gjord av och hur den utvecklats till vad den är idag.

"Simons Observatory-teleskop kommer att använda en ny ultrakänslig millimetervågskamera för att mäta efterskenet från big bang med oöverträffad känslighet, " sa huvudförfattaren Zhilei Xu från University of Pennsylvania. "Vi utvecklade en ny billig absorberande platta som kommer att användas i kameran för att absorbera miljöemissioner som kan skymma de signaler vi vill mäta."

I tidskriften Optical Society (OSA). Tillämpad optik , forskarna visar att metamaterialet mikrovågsplattor som de utvecklat absorberar mer än 99 procent av millimetervågstrålningen och behåller sina absorberande egenskaper vid de extremt låga temperaturer som millimetervågskameran arbetar i.

"Eftersom plattorna kan tillverkas genom formsprutning av kommersiellt tillgängliga material, de är en ekonomisk, massproducerbar och lättinstallerad lösning på det som har varit ett långvarigt problem, " sa Xu. "Med denna teknik, Simons Observatory kommer att förändra vår förståelse av universum från många aspekter, inklusive början av universum, bildandet och utvecklingen av galaxerna och antändningen av de första stjärnorna."

Arbetar vid låga temperaturer

Markbaserade millimetervågsteleskop använder mottagare som kyls till kryogena temperaturer för att minska brus och därmed öka känsligheten. Mottagartekniken har avancerat till den punkt där vilken mängd ströljus som helst kan försämra bilden samtidigt som det minskar detektorns känslighet. Ett bättre sätt att undertrycka ströljus i mottagarna skulle ytterligare öka deras känslighet för de mycket svaga signalerna som kommer från djupt inne i rymden.

Dock, Att utveckla ett material som kan dämpa ströljus när man arbetar vid så extremt låga temperaturer är ganska utmanande. Tidigare försök resulterade i material som antingen inte kunde kylas effektivt till kryogena temperaturer eller som inte uppnådde den nödvändiga kombinationen av låg reflektans och hög absorption. Andra lösningar har också tenderat att vara svåra att installera eller utmanande att massproducera.

För att övervinna dessa utmaningar, forskarna vände sig till metamaterial eftersom de kan konstrueras för att uppnå specifika egenskaper som inte förekommer i naturen. Efter komplexa elektromagnetiska simuleringsstudier, forskarna designade metamaterial baserat på ett material som kombinerade kolpartiklar och plast.

Minskar reflektion

Även om plastkompositen uppvisade hög absorption i det önskade mikrovågsområdet i det elektromagnetiska spektrumet, ytan reflekterade en betydande mängd strålning innan den kunde komma in i materialet som skulle absorberas. För att minska reflektionen, forskarna lade till en antireflexbeläggning som var skräddarsydd med hjälp av formsprutning.

"Den lågreflekterande ytan i kombination med högabsorberande bulkmaterial gjorde att metamaterialabsorberande plattor kunde leverera utmärkt undertryckande av oönskade signaler vid kryogena temperaturer nära absolut noll, " sa Xu.

Efter att ha säkerställt att plattor tillverkade av det nya metamaterialet mekaniskt kunde överleva termiska cykler från rumstemperaturer till kryogena temperaturer, forskarna verifierade att de effektivt kunde kylas till -272°C (-458°F) och mätte sedan deras optiska prestanda. "Vi utvecklade en skräddarsydd testanläggning för att mäta plattornas prestanda med hög tillförlitlighet, sa Grace Chesmore, en doktorand vid University of Chicago som ledde de optiska mätningarna av denna forskning. Testningen visade att metamaterialet uppvisade utmärkta reflektansegenskaper med låg spridning och att det absorberade nästan alla inkommande fotoner.

"När detektorns känslighet fortsätter att förbättras för millimetervågteleskop, det blir avgörande att kontrollera spridda fotoner, ", sa Xu. "Den framgångsrika kombinationen av ett metamaterial och formsprutningstillverkning öppnar många möjligheter för vetenskaplig instrumentdesign för millimetervåginstrument."