I ricercatori hanno creato un nuovo dispositivo magnetico a specchio che un giorno potrebbe aiutare i cosmologi a scoprire nuovi dettagli sulle increspature nello spazio-tempo note come onde gravitazionali, in particolare quelli emessi quando l'universo era estremamente giovane.

Il nuovo lavoro fa parte di una collaborazione multi-istituzionale finanziata dal programma di ricerca tecnologica dell'Agenzia spaziale europea (ESA) per sviluppare tecnologie necessarie per esperimenti futuri come il programma di missione satellitare Cosmic Origins Explorer proposto. Questa missione spaziale mira ad acquisire alta precisione, mappe dell'intero cielo del fondo cosmico a microonde - l'emissione di reliquie sopravvissuta al Big Bang.

Il fondo cosmico a microonde è stato oggetto di intense ricerche sin dalla sua scoperta circa 50 anni fa. Gli ultimi anni hanno visto una maggiore attenzione sui componenti polarizzati di questo fondo a microonde - in particolare un componente chiamato B-mode, che si pensa sia la chiave per le informazioni sulle onde gravitazionali primordiali e sui processi fisici che si sono verificati molto presto nella storia dell'universo.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica applicata , i ricercatori hanno dimostrato un nuovo tipo di modulatore di polarizzazione basato su uno specchio magnetico. Il nuovo dispositivo potrebbe superare un'importante sfida nel rilevamento della polarizzazione in modalità B:la capacità di modulare la polarizzazione delle microonde su un'ampia gamma di frequenze. Il funzionamento a banda larga è necessario per discriminare spettrale la polarizzazione B-mode estremamente debole dalla radiazione in primo piano di altre sorgenti astrofisiche.

"Noi, come altri, hanno lavorato per oltre due decenni allo sviluppo di tecnologie che consentissero il rilevamento della polarizzazione B-mode, " disse Giampaolo Pisano, Università di Cardiff, UK, primo autore del saggio. "Questo si è rivelato un problema impegnativo perché solo una piccola parte del segnale complessivo mostra questa polarizzazione".

Sviluppare la tecnologia

Un componente chiave per rilevare le radiazioni in modalità B è una piastra a semionda, un dispositivo utilizzato per modulare la polarizzazione della radiazione elettromagnetica. La rotazione della lamina a semionda fa ruotare anche la polarizzazione della radiazione, creando un modello oscillante che può essere distinto dal segnale costante di radiazione non polarizzata.

Le precedenti implementazioni di queste piastre a semionda hanno portato a dispositivi intrinsecamente a banda stretta a causa delle proprietà ottiche dei materiali disponibili o del design utilizzato. Il funzionamento su un'ampia gamma di lunghezze d'onda è fondamentale per distinguere la polarizzazione B-mode proveniente dall'universo primordiale dai segnali provenienti da altre sorgenti.

"La maggior parte degli sforzi nello sviluppo della tecnologia è stata finalizzata alla realizzazione di componenti ottici che funzionano su larghezze di banda maggiori, " ha detto Pisano. "Un dispositivo che copre un'ampia gamma di frequenze migliorerebbe notevolmente le prestazioni della complessa strumentazione spaziale".

Nel nuovo lavoro, Pisano e i suoi colleghi hanno provato un approccio completamente nuovo che utilizza metamateriali - materiali artificiali progettati con caratteristiche non presenti nei materiali naturali - per creare uno specchio magnetico che hanno combinato con una griglia metallica polarizzante.

"I metamateriali ci hanno permesso di inventare un materiale con le caratteristiche di cui avevamo bisogno, " disse Pisano. "Perché l'approccio che abbiamo usato è nuovo, ci ha permesso di superare i limiti della gamma di frequenze che altri ricercatori hanno dovuto affrontare".

Il loro nuovo metodo sfrutta il fatto che la riflessione da una superficie magnetica artificiale sarà sfasata rispetto a quella riflessa da un perfetto conduttore elettrico, o metallo. L'aggiunta della griglia metallica allo specchio magnetico consente a una polarizzazione di "vedere" la griglia metallica, mentre la radiazione polarizzata ortogonalmente si riflette sullo specchio magnetico. Il dispositivo risultante può alterare la polarizzazione su un ampio intervallo di frequenze delle microonde.

Il prototipo del dispositivo dimostrato nel documento funziona da circa 100 a 400 gigahertz con un'efficienza superiore al 90%, il che significa che è stato perso meno del 10 percento del segnale. I ricercatori dicono che con alcuni piccoli aggiustamenti, si aspettano di ottenere una larghezza di banda ancora maggiore e una maggiore efficienza.

Prepararsi per lo spazio

A 20 centimetri di diametro, il prototipo del dispositivo è una versione miniaturizzata di quello che potrebbe essere necessario per il satellite Cosmic Origins Explorer. I ricercatori stanno ora lavorando per sviluppare una versione di mezzo metro, con l'obiettivo finale di sviluppare un dispositivo finale di diametro superiore al metro. Realizzare un dispositivo così grande con la precisione necessaria richiederà nuove strutture e nuovi metodi per maneggiare il dispositivo durante le varie fasi di produzione, gli sviluppi che secondo i ricercatori saranno probabilmente difficili quanto lo sviluppo del concetto iniziale.

"Ora che abbiamo dimostrato il concetto, dobbiamo eseguire test di qualificazione spaziale per dimostrare la sua robustezza per il lancio di un satellite, " ha detto Pisano. "Abbiamo anche bisogno di implementarlo in strumenti di rilevamento B-mode a terra per dimostrare la sua usabilità sul campo".