Las pruebas térmicas de las nuevas placas de metamaterial en una instalación criogénica avanzada demostraron que podían enfriarse eficazmente a las temperaturas criogénicas necesarias. Crédito:Eric Sucar, Penn hoy
Un grupo multiinstitucional de investigadores ha desarrollado nuevos mosaicos de metamateriales que ayudarán a mejorar la sensibilidad de los telescopios que se están construyendo en el preeminente Observatorio Simons en Chile. Los mosaicos se han incorporado a los receptores que se desplegarán en el observatorio en 2022.
El Observatorio Simons es el centro de un ambicioso esfuerzo para medir el fondo cósmico de microondas (radiación electromagnética que queda de una etapa temprana del universo) utilizando algunos de los telescopios terrestres más grandes y sofisticados del mundo. Estas medidas ayudarán a mejorar nuestra comprensión de cómo comenzó el universo, de qué está hecho y cómo evolucionó hasta convertirse en lo que es hoy.
"Los telescopios del Observatorio Simons utilizarán una nueva cámara ultrasensible de ondas milimétricas para medir el resplandor del Big Bang con una sensibilidad sin precedentes, ", dijo el autor principal Zhilei Xu de la Universidad de Pensilvania." Desarrollamos una nueva baldosa absorbente de bajo costo que se utilizará en la cámara para absorber las emisiones ambientales que pueden ocultar las señales que queremos medir ".
En la revista Optical Society (OSA) Óptica aplicada , Los investigadores muestran que las placas de microondas de metamaterial que desarrollaron absorben más del 99 por ciento de la radiación de ondas milimétricas y retienen sus propiedades de absorción a las temperaturas extremadamente bajas en las que opera la cámara de ondas milimétricas.
"Debido a que las baldosas se pueden fabricar mediante moldeo por inyección de materiales disponibles comercialmente, son economicas, Solución de producción masiva y fácil de instalar a lo que ha sido un problema de larga data, "dijo Xu." Con esta tecnología, el Observatorio Simons transformará nuestra comprensión del universo desde muchos aspectos, incluyendo el comienzo del universo, la formación y evolución de las galaxias y la ignición de las primeras estrellas ".
Trabajando a bajas temperaturas
Los telescopios terrestres de ondas milimétricas utilizan receptores que se enfrían a temperaturas criogénicas para reducir el ruido y así aumentar la sensibilidad. La tecnología del receptor ha avanzado hasta el punto en que cualquier cantidad de luz parásita puede degradar la imagen al mismo tiempo que disminuye la sensibilidad del detector. Una mejor manera de suprimir la luz parásita dentro de los receptores aumentaría aún más su sensibilidad a las señales muy débiles provenientes de las profundidades del espacio.
Sin embargo, desarrollar un material que pueda suprimir la luz parásita mientras se opera a temperaturas tan extremadamente bajas es todo un desafío. Los intentos anteriores dieron como resultado materiales que no se podían enfriar eficazmente a temperaturas criogénicas o no lograban la combinación necesaria de baja reflectancia y alta absorción. Otras soluciones también han tendido a ser difíciles de instalar o difíciles de producir en masa.
Para superar estos desafíos, los investigadores recurrieron a los metamateriales porque pueden diseñarse para lograr propiedades específicas que no ocurren en la naturaleza. Después de complejos estudios de simulación electromagnética, los investigadores diseñaron metamateriales basados en un material que combinaba partículas de carbono y plástico.
Los investigadores desarrollaron nuevos mosaicos de metamateriales que mejorarán la sensibilidad de los telescopios del Observatorio Simons al absorber la luz parásita. La foto superior izquierda muestra un mosaico, con su superficie antirreflectante mostrada en el inserto. Las fotos de la parte inferior izquierda muestran la parte posterior del mosaico, y la foto de la derecha muestra el montaje de 240 baldosas instaladas en la pared de un tubo óptico. Crédito:Zhilei Xu, Universidad de Pennsylvania
Reducir la reflexión
Aunque el compuesto de plástico exhibió una alta absorción en la región de microondas deseada del espectro electromagnético, la superficie reflejó una cantidad significativa de radiación antes de que pudiera ingresar al material a absorber. Para reducir el reflejo, los investigadores agregaron un revestimiento antirreflectante que se adaptó mediante moldeo por inyección.
"La superficie de baja reflectancia combinada con el material a granel de alta absorción permitió que las baldosas absorbentes de metamaterial brindaran una excelente supresión de señales no deseadas a temperaturas criogénicas cercanas al cero absoluto, "dijo Xu.
Después de asegurarse de que las baldosas fabricadas con el nuevo metamaterial pudieran sobrevivir mecánicamente a los ciclos térmicos desde la temperatura ambiente hasta la temperatura criogénica, los investigadores comprobaron que podían enfriarse eficazmente a -272 ° C (-458 ° F) y luego midieron su rendimiento óptico. "Desarrollamos una instalación de prueba personalizada para medir el rendimiento de los mosaicos con alta fidelidad, "dijo Grace Chesmore, estudiante de posgrado de la Universidad de Chicago que dirigió las mediciones ópticas de esta investigación. Las pruebas mostraron que el metamaterial exhibía excelentes propiedades de reflectancia con baja dispersión y que absorbía casi todos los fotones entrantes.
"A medida que la sensibilidad del detector continúa mejorando para los telescopios de ondas milimétricas, se vuelve crucial controlar los fotones dispersos, ", dijo Xu." La combinación exitosa de una fabricación de moldeo por inyección y metamaterial abre muchas posibilidades para el diseño de instrumentos científicos de instrumentos de onda milimétrica ".
