Eftersom Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) är banbrytande detektering, 2015, gravitationsvågor som produceras av ett par kolliderande svarta hål, observatoriet, tillsammans med sin europeiska partneranläggning Virgo, har upptäckt dussintals liknande kosmiska mullrande som skickar krusningar genom rum och tid.

I framtiden, allt fler uppgraderingar görs av National Science Foundation-finansierade LIGO-observatorier-ett i Hanford, Washington, och den andra i Livingston, Louisiana - anläggningarna förväntas upptäcka allt fler av dessa extrema kosmiska händelser. Dessa observationer hjälper till att lösa grundläggande mysterier om vårt universum, som hur svarta hål bildas och hur ingredienserna i vårt universum tillverkas.

En viktig faktor för att öka observatoriernas känslighet innefattar beläggningarna på glasspeglarna som ligger i hjärtat av instrumenten. Varje 40 kilogram (88 pund) spegel (det finns fyra i varje detektor vid de två LIGO-observatorierna) är belagd med reflekterande material som i huvudsak gör glaset till speglar. Speglarna reflekterar laserstrålar som är känsliga för att passera gravitationella vågor.

Rent generellt, ju mer reflekterande speglarna, ju känsligare instrumentet, men det finns en hake:Beläggningarna som gör att speglarna reflekterar kan också leda till bakgrundsljud i instrumentet-brus som maskerar gravitationella vågssignaler av intresse.

Nu, en ny studie från LIGO -teamet beskriver en ny typ av spegelbeläggning gjord av titanoxid och germaniumoxid, och beskriver hur det kan minska bakgrundsljud i LIGO:s speglar med en faktor två, därigenom ökar den rymdvolym som LIGO kan sonda med en faktor åtta.

"Vi ville hitta ett material i utkanten av vad som är möjligt idag, "säger Gabriele Vajente, en LIGO senior forskare vid Caltech och huvudförfattare till ett papper om arbetet som visas i tidskriften Fysiska granskningsbrev . "Vår förmåga att studera universums astronomiskt stora skala är begränsad av vad som händer i detta mycket lilla mikroskopiska utrymme."

"Med dessa nya beläggningar, vi förväntar oss att kunna öka detekteringsgraden för gravitationella vågor från en gång i veckan till en gång om dagen eller mer, "säger David Reitze, verkställande direktör för LIGO Laboratory på Caltech.

Forskningen, som kan ha framtida tillämpningar inom områdena telekommunikation och halvledare, var ett samarbete mellan Caltech; Colorado State University; universitetet i Montreal; och Stanford University, vars synkrotron vid SLAC National Accelerator Laboratory användes vid karakterisering av beläggningarna.

LIGO upptäcker krusningar i rymdtid med hjälp av detektorer som kallas interferometrar. I denna inställning, en kraftfull laserstråle delas upp i två:Varje stråle rör sig längs en arm av en stor L-formad vakuumhölje mot speglar 4 kilometer bort. Speglarna reflekterar laserstrålarna tillbaka till källan från vilken de härstammar. När gravitationella vågor passerar, de kommer att sträcka och klämma ut utrymme med nästan omärkliga och ändå detekterbara mängder (mycket mindre än bredden på en proton). Störningarna ändrar tidpunkten för de två laserstrålarnas ankomst tillbaka till källan.

Varje jiggling i själva speglarna-även de mikroskopiska termiska vibrationerna i atomerna i speglarnas beläggningar-kan påverka tidpunkten för laserstrålarnas ankomst och göra det svårt att isolera gravitationsvågssignalerna.

"Varje gång ljus passerar mellan två olika material, en bråkdel av det ljuset reflekteras, "säger Vajente." Det här är samma sak som händer i dina fönster:Du kan se din svaga reflektion i glaset. Genom att lägga till flera lager av olika material, vi kan förstärka varje reflektion och göra våra speglar upp till 99,999 procent reflekterande. "

"Det viktiga med detta arbete är att vi utvecklat ett nytt sätt att bättre testa materialen, "säger Vajente." Vi kan nu testa egenskaperna hos ett nytt material på cirka åtta timmar, helt automatiserad, när det tog nästan en vecka. Detta gjorde att vi kunde utforska det periodiska systemet genom att prova många olika material och många kombinationer. Några av de material vi försökte fungerade inte, men detta gav oss inblick i vilka egenskaper som kan vara viktiga. "

I slutet, forskarna upptäckte att ett beläggningsmaterial tillverkat av en kombination av titanoxid och germaniumoxid tappade minst energi (motsvarande att minska termiska vibrationer).

"Vi skräddarsydde tillverkningsprocessen för att möta de höga kraven på optisk kvalitet och minskat termiskt brus från spegelbeläggningarna, "säger Carmen Menoni, professor vid Colorado State University och medlem i LIGO Scientific Collaboration. Menoni och hennes kollegor i Colorado State använde en metod som kallades jonstråleförstoftning för att täcka speglarna. I denna process, atomer av titan och germanium skalas bort från en källa, i kombination med syre, och avsattes sedan på glaset för att skapa tunna lager av atomer.

Den nya beläggningen kan användas för LIGO:s femte observationskörning, som börjar i mitten av decenniet som en del av Advanced LIGO Plus -programmet. Under tiden, LIGO:s fjärde observerande körning, den sista i Advanced LIGO -kampanjen, beräknas börja sommaren 2022.

"Detta är en spelväxlare för Advanced LIGO Plus, "säger Reitze." Och det här är ett bra exempel på hur LIGO är starkt beroende av avancerad optik och materialvetenskaplig forskning och utveckling. Detta är det största framsteget inom utveckling av precisions optisk beläggning för LIGO under de senaste 20 åren. "