Los investigadores han creado un nuevo dispositivo basado en un espejo magnético que algún día podría ayudar a los cosmólogos a descubrir nuevos detalles sobre las ondas en el espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales. particularmente los emitidos cuando el universo era extremadamente joven.

El nuevo trabajo es parte de una colaboración multiinstitucional financiada por el Programa de Investigación Tecnológica de la Agencia Espacial Europea (ESA) para desarrollar tecnologías necesarias para experimentos futuros, como el programa propuesto de misión satelital Cosmic Origins Explorer. Esta misión espacial tiene como objetivo adquirir alta precisión, mapas de cielo completo del fondo cósmico de microondas:la emisión reliquia que sobrevivió desde el Big Bang.

El fondo cósmico de microondas ha sido objeto de una intensa investigación desde su descubrimiento hace unos 50 años. Los últimos años han visto un mayor enfoque en los componentes polarizados de este fondo de microondas, en particular un componente llamado modo B, que se cree que contiene la clave para la información sobre las ondas gravitacionales primordiales y los procesos físicos que ocurrieron muy temprano en la historia del universo.

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica aplicada , los investigadores demostraron un nuevo tipo de modulador de polarización basado en un espejo magnético. El nuevo dispositivo podría superar un desafío importante para detectar la polarización en modo B:la capacidad de modular la polarización de microondas en un amplio rango de frecuencias. La operación de banda ancha es necesaria para discriminar espectralmente la polarización en modo B extremadamente débil de la radiación en primer plano de otras fuentes astrofísicas.

"Nosotros, como otros, Llevamos más de dos décadas trabajando en el desarrollo de tecnologías que permitan la detección de la polarización en modo B, "dijo Giampaolo Pisano, Universidad de Cardiff, REINO UNIDO, primer autor del artículo. "Esto ha demostrado ser un problema desafiante porque solo una pequeña parte de la señal general exhibe esta polarización".

Desarrollando la tecnología

Un componente clave para detectar la radiación en modo B es una placa de media onda, un dispositivo utilizado para modular la polarización de la radiación electromagnética. La rotación de la placa de media onda hace que la polarización de la radiación también gire, creando un patrón oscilante que se puede distinguir de la señal constante de radiación no polarizada.

Las implementaciones anteriores de estas placas de media onda han dado como resultado dispositivos de banda estrecha intrínsecamente debido a las propiedades ópticas de los materiales disponibles o al diseño utilizado. La operación en una amplia gama de longitudes de onda es crucial para distinguir la polarización en modo B que se origina en el universo temprano de las señales que se originan en otras fuentes.

"La mayor parte del esfuerzo en el desarrollo de tecnología se ha dirigido a fabricar componentes ópticos que funcionen en anchos de banda más grandes, ", dijo Pisano." Un dispositivo que cubre una amplia gama de frecuencias mejoraría enormemente el rendimiento de la instrumentación espacial compleja ".

En el nuevo trabajo Pisano y sus colegas probaron un enfoque completamente nuevo que utiliza metamateriales, materiales artificiales diseñados con características que no se encuentran en materiales naturales, para crear un espejo magnético que combinaron con una rejilla de alambre polarizador.

"Los metamateriales nos permitieron inventar un material con las características que necesitábamos, ", dijo Pisano." Debido a que el enfoque que usamos es nuevo, nos permitió superar los límites del rango de frecuencia a los que se han enfrentado otros investigadores ".

Su nuevo método aprovecha el hecho de que la reflexión de una superficie magnética artificial estará desfasada de la reflejada por un conductor eléctrico perfecto. o metal. Agregar la rejilla de alambre al espejo magnético permite que una polarización "vea" la rejilla de metal, mientras que la radiación polarizada ortogonalmente se refleja en el espejo magnético. El dispositivo resultante puede alterar la polarización en un amplio rango de frecuencias de microondas.

El dispositivo prototipo demostrado en el documento opera desde aproximadamente 100 a 400 gigahercios con más del 90 por ciento de eficiencia. lo que significa que se perdió menos del 10 por ciento de la señal. Los investigadores dicen que con algunos ajustes menores, esperan lograr un ancho de banda aún mayor y una mayor eficiencia.

Preparándose para el espacio

A 20 centímetros de ancho, el dispositivo prototipo es una versión miniaturizada del que en última instancia podría ser necesario para el satélite Cosmic Origins Explorer. Los investigadores ahora están trabajando para desarrollar una versión de medio metro, con el objetivo final de desarrollar un dispositivo final de más de un metro de diámetro. La fabricación de un dispositivo tan grande con la precisión necesaria requerirá nuevas instalaciones y nuevos métodos para manipular el dispositivo durante los distintos pasos de fabricación. desarrollos que, según los investigadores, probablemente serán tan difíciles como desarrollar el concepto inicial.

"Ahora que hemos demostrado el concepto, necesitamos realizar pruebas de calificación espacial para demostrar su robustez para el lanzamiento de un satélite, ", dijo Pisano." También necesitamos implementarlo en instrumentos de detección de modo B basados ​​en tierra para demostrar su usabilidad en el campo ".