宇宙中最古老光的新超材料结构的研究,超材料是什么?

    来源: 赢家娱乐

      宇宙微波背景(或称为CMB)是大爆炸的电磁回波,自宇宙诞生以来的第一个原子诞生38万年以来,辐射就一直在空间和时间中传播。在CMB中绘制微小变化的图可以告诉科学家,我们宇宙是如何形成的以及它是由什么组成的。

      为了捕获CMB发出的古老冷光,研究人员使用配备了超灵敏相机的专业望远镜来检测毫米波信号。下一代相机将包含多达100,000个超导探测器。Fermilab科学家,芝加哥大学副教授Jeff McMahon和他的团队为这些相机中使用的硅镜头开发了一种新型的基于超材料的抗反射涂层。

      麦克马洪说:“至少有六个项目没有这些是不可能的。”

    新超材料结构

      超材料是具有非自然属性的工程材料。神奇之处在于微观结构——微小且重复的特征小于它们设计用来与之相互作用的光的波长。这些特征以非常规的方式弯曲,阻挡或以其他方式操纵光。

      通常,抗反射涂层通过以这种方式反射来自涂层两侧的光来工作,使得反射的光粒子相互干扰和抵消,从而消除反射。对于McMahon的超材料而言,“涂层”是每个硅透镜每一侧的一百万个细小,精确的切口。近距离观察时,这些特征看起来像是阶梯式金字塔——三层正方形的柱子相互堆叠。微调支柱的间距和厚度,以在反射光之间产生最大的破坏性干涉。

      麦克马洪说:“光只是通过,就可以反射出十分之一的几率。”

      单晶硅透镜对微波透明且超纯,因此穿过透镜的光不会被杂质吸收或散射。硅具有必要的弯曲特性,可将光线从望远镜射到大量传感器上,超材料结构负责反射。因为每个透镜都是由单个纯硅晶体制成的,所以它们可以承受低温(探测器必须在0.1开尔文温度下运行),而不会像使用由不同材料制成的抗反射涂层的透镜那样产生开裂或剥离的风险。

      麦克马洪说,总而言之,这些镜头可以说是CMB仪器可用的最佳技术。

      麦克马洪说:“并不是说您不能做其他实验,”但是对于当前和下一代CMB调查所要求的性能和耐用性,这些镜头是最先进的——他的团队是唯一使用的。

      McMahon和他的团队大约在10年前开始开发这项技术,当时他们开始研究一种新型的探测器阵列,并意识到他们需要一个更好,反射率更低的透镜。他说,最困难的部分是想办法。现有的技术可以在平坦的硅晶片上进行微米级的切割,但是以前没有人将其应用于透镜。他们为阿塔卡马宇宙望远镜制作的第一副镜头称为ACT,由于需要进行大量切割,因此花费了12周的时间来制造。现在,随着Fermilab机器和自动化设备的改进,每个镜片的加工过程仅需四天,McMahon希望他们能够进一步简化加工过程。

    新超材料结构

      McMahon的团队在密歇根大学工作至2020年1月,为当前的CMB实验制作了约20个镜头,包括ACTPol,Advanced ACTPol,CLASS,TolTEC和PIPER。他们现在正在为西蒙斯天文台生产透镜,该透镜将于明年开始收集数据。从那里开始,他们将开始为CMB-S4(宇宙微波背景技术第4阶段)制造其他透镜,这是费米实验室(Fermilab)参与的下一代项目。CMB-S4计划在2027年开始使用智利和南极天文台的21台望远镜收集数据,以进行迄今为止最详细的CMB调查。

      麦克马洪说:“当我们完成一个镜头时,它在做科学,这让我觉得很有趣。”。“所有超材料都很酷,但最终我只想弄清楚宇宙是如何开始的,里面有什么。”

      他和其他对此做出贡献的研究人员并不完全知道他们将在数据中找到什么,但是他们知道它会很有价值。即使他们没有发现原始引力波(该项目的主要目标之一),该实验仍将揭示诸如暗能量,暗物质和中微子质量之类的宇宙奥秘。

      麦克马洪说,他的团队使用其镜头技术所取得的成就证明了小努力对大科学的巨大影响。

      他说:“努力是开始了解宇宙的开始。” “而且我们这样做的方法是弄清楚如何在硅上加工微小的特征。”

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