El fondo cósmico de microondas, o CMB, es el eco electromagnético del Big Bang, Radiación que ha estado viajando a través del espacio y el tiempo desde que nacieron los primeros átomos 380, 000 años después del comienzo de nuestro universo. El mapeo de variaciones minúsculas en el CMB les dice a los científicos cómo surgió nuestro universo y de qué está hecho.

Para capturar a los antiguos luz fría del CMB, los investigadores utilizan telescopios especializados equipados con cámaras ultrasensibles para detectar señales de longitud de onda milimétrica. Las cámaras de próxima generación contendrán hasta 100, 000 detectores superconductores. El científico del Fermilab y profesor asociado de la Universidad de Chicago, Jeff McMahon, y su equipo han desarrollado un nuevo tipo de recubrimiento antirreflectante basado en metamateriales para las lentes de silicio utilizadas en estas cámaras.

"Hay al menos media docena de proyectos que no serían posibles sin estos, "Dijo McMahon.

Los metamateriales son materiales de ingeniería con propiedades que no ocurren naturalmente. La magia está en la microestructura:diminuta, características repetidas más pequeñas que la longitud de onda de la luz con la que están diseñadas para interactuar. Estas características se doblan, bloquear o manipular la luz de formas no convencionales.

Generalmente, Los recubrimientos antirreflejos funcionan reflejando la luz de cada lado del recubrimiento de tal manera que las partículas de luz reflejadas interfieren y se cancelan entre sí. eliminando la reflexión. Para los metamateriales de McMahon, el "revestimiento" es un millón de diminutos, cortes precisos en cada lado de cada lente de silicona. De cerca, las características parecen pirámides escalonadas:tres capas de pilares cuadrados apilados uno encima del otro. El espaciado y el grosor de los pilares se ajustan para crear la máxima interferencia destructiva entre la luz reflejada.

"La luz pasa directamente a través con una décima de un porcentaje de probabilidad de reflejarse, "Dijo McMahon.

Las lentes de silicio monocristalino son transparentes a las microondas y ultrapura para que la luz que pasa a través de la lente no sea absorbida o dispersada por impurezas. El silicio tiene las propiedades de flexión de la luz necesarias para llevar la luz del telescopio a una gran variedad de sensores. y la estructura del metamaterial se encarga de la reflexión. Debido a que cada lente está hecha de un solo cristal de silicio puro, pueden soportar temperaturas criogénicas (los detectores tienen que funcionar a 0,1 kelvins) sin el riesgo de agrietarse o pelarse como lentes con recubrimientos antirreflectantes hechos de un material diferente.

Todo dicho, estos lentes son posiblemente la mejor tecnología disponible para instrumentos CMB, Dice McMahon.

"No es exactamente que no puedas hacer el experimento de otra manera, "McMahon dijo, sino por el rendimiento y la durabilidad que exigen las encuestas CMB actuales y de próxima generación, estos lentes son lo último en tecnología y su equipo son las únicas personas en el mundo que los fabrican.

McMahon y su equipo comenzaron a desarrollar la tecnología hace unos 10 años cuando comenzaron a trabajar en un nuevo tipo de matriz de detectores y se dieron cuenta de que necesitaban una mejor, Lente menos reflectante para acompañarlo. La parte dificil él dice, estaba averiguando cómo hacerlo. Existían técnicas para hacer cortes con precisión micrométrica en obleas de silicio planas, pero nadie los había aplicado a una lente antes. La primera lente que hicieron para el Telescopio de Cosmología de Atacama, llamado ACT, tardó 12 semanas en fabricarse debido a la gran cantidad de cortes que debían realizarse. Ahora con máquinas mejoradas y automatización en Fermilab, el proceso toma solo cuatro días por lente, y McMahon espera poder optimizarlo aún más.

Trabajando en la Universidad de Michigan hasta enero de 2020, El equipo de McMahon fabricó alrededor de 20 lentes para los experimentos actuales de CMB, incluido ACTPol, ACTPol avanzado, CLASE, TolTEC y PIPER. Ahora están produciendo lentes para el Observatorio Simons, que comenzará a recopilar datos el próximo año. Desde allí, comenzarán a fabricar lentes adicionales para CMB-S4 (etapa de fondo de microondas cósmico 4), un proyecto de nueva generación del que Fermilab es miembro. Está programado que CMB-S4 comience a recopilar datos en 2027 utilizando 21 telescopios en observatorios en Chile y el Polo Sur para el estudio CMB más detallado hasta el momento.

"En cuanto terminamos una lente, está haciendo ciencia, y eso es lo que me hace divertido ", Dijo McMahon." Todo el material del metamaterial es genial, pero al final del día solo quiero averiguar cómo comenzó el universo y qué hay en él ".

McMahon compara CMB-S4 con abrir un cofre del tesoro lleno de oro y joyas. Él y los otros investigadores que contribuyen no saben exactamente qué encontrarán en los datos, pero saben que será valioso. Incluso si no encuentran ondas gravitacionales primordiales, uno de los principales objetivos del proyecto, el experimento arrojará luz sobre misterios cósmicos como la energía oscura, masas de materia oscura y neutrinos.

Lo que su equipo ha logrado con su tecnología de lentes, McMahon dice:es un testimonio del enorme efecto que los pequeños esfuerzos pueden tener en la gran ciencia.

"El esfuerzo es comenzar a comprender el comienzo del universo, ", dijo." Y la forma en que lo estamos haciendo es descubriendo cómo mecanizar pequeñas características en silicio ".