Den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB, är det elektromagnetiska ekot från Big Bang, strålning som har färdats genom rymden och tiden sedan de allra första atomerna föddes 380, 000 år efter att vårt universum började. Kartläggning av små variationer i CMB berättar forskarna om hur vårt universum kom till och vad det är gjort av.

För att fånga det gamla, kallt ljus från CMB, forskare använder specialiserade teleskop utrustade med ultrakänsliga kameror för att upptäcka millimetervåglängdssignaler. Nästa generations kameror kommer att innehålla upp till 100, 000 supraledande detektorer. Fermilab-forskaren och University of Chicago Docent Jeff McMahon och hans team har utvecklat en ny typ av metamaterialbaserad antireflexbeläggning för de kiselinser som används i dessa kameror.

"Det finns minst ett halvdussin projekt som inte skulle vara möjliga utan dessa, " sa McMahon.

Metamaterial är konstruerade material med egenskaper som inte är naturligt förekommande. Magin finns i mikrostrukturen – liten, upprepande egenskaper som är mindre än våglängden på ljuset de är designade för att interagera med. Dessa funktioner böjs, blockera eller på annat sätt manipulera ljus på okonventionella sätt.

Rent generellt, antireflexbeläggningar fungerar genom att reflektera ljus från varje sida av beläggningen på ett sådant sätt att de reflekterade ljuspartiklarna stör och avbryter varandra, eliminerar reflektion. För McMahons metamaterial, "beläggningen" är en miljon liten, exakta snitt i varje sida av varje silikonlins. Nära, funktionerna ser ut som trappstegspyramider – tre lager av fyrkantiga pelare staplade ovanpå varandra. Pelarnas avstånd och tjocklek är finjusterade för att skapa maximal destruktiv interferens mellan reflekterat ljus.

"Ljuset bara seglar rakt igenom med en tiondels procents chans att reflektera, "Sa McMahon.

Silikonlinserna i enkristall är transparenta för mikrovågor och ultrarena så att ljuset som passerar genom linsen inte absorberas eller sprids av föroreningar. Kisel har de nödvändiga ljusböjande egenskaperna för att få ljus från teleskopet till ett stort antal sensorer, och den metamateriella strukturen tar hand om reflektion. Eftersom varje lins är gjord av en enda ren kiselkristall, de kan motstå kryogena temperaturer (detektorerna måste arbeta vid 0,1 kelvin) utan risk för att spricka eller flagna som linser med antireflekterande beläggningar gjorda av ett annat material.

Allt sagt, dessa linser är utan tvekan den bästa tekniken som finns för CMB-instrument, säger McMahon.

"Det är inte precis så att du inte kunde göra experimentet annars, "McMahon sa, men för den prestanda och hållbarhet som krävs av nuvarande och nästa generations CMB-undersökningar, dessa linser är toppmoderna – och hans team är de enda människorna i världen som tillverkar dem.

McMahon och hans team började utveckla tekniken för cirka 10 år sedan när de började arbeta med en ny typ av detektormatris och insåg att de behövde en bättre, mindre reflekterande lins att följa med. Den svåra delen, han säger, funderade på hur man skulle göra det. Det fanns tekniker för att göra mikrometerexakta snitt i platta kiselskivor, men ingen hade någonsin applicerat dem på en lins tidigare. Det första objektivet de gjorde, för Atacama Cosmology Telescope, kallas ACT, tog 12 veckor att tillverka på grund av det enorma antalet snitt som behövde göras. Nu med förbättrade maskiner och automation hos Fermilab, processen tar bara fyra dagar per lins, och McMahon hoppas att de kommer att kunna effektivisera det ytterligare.

Arbetar vid University of Michigan till januari 2020, McMahons team tillverkade cirka 20 linser för nuvarande CMB-experiment inklusive ACTPol, Avancerad ACTPol, KLASS, TolTEC och PIPER. De producerar nu linser för Simons Observatory, som kommer att börja samla in data nästa år. Därifrån, de kommer att börja tillverka ytterligare linser för CMB-S4 (Cosmic Microwave Background Stage 4), ett nästa generations projekt där Fermilab är medlem. CMB-S4 är planerad att börja samla in data 2027 med 21 teleskop vid observatorier i Chile och Sydpolen för den mest detaljerade CMB-undersökningen hittills.

"Den andra vi avslutar en lins, det gör vetenskap, och det är det som gör det roligt för mig, " sa McMahon. "Allt metamaterial är coolt, men i slutet av dagen vill jag bara ta reda på hur universum började och vad som finns i det."

McMahon jämför CMB-S4 med att öppna en skattkista full av guld och juveler. Han och de andra forskarna som bidrar till det vet inte exakt vad de kommer att hitta i data, men de vet att det kommer att vara värdefullt. Även om de inte hittar primordiala gravitationsvågor – ett av projektets huvudmål – kommer experimentet fortfarande att kasta ljus över kosmiska mysterier som mörk energi, mörk materia och neutrinomassor.

Vad hans team har uppnått med sin linsteknik, McMahon säger, är ett bevis på den stora effekt små ansträngningar kan ha på stor vetenskap.

"Strävan är att börja förstå början av universum, " sa han. "Och hur vi gör det är genom att ta reda på hur man bearbetar små detaljer i kisel."