Un gruppo multi-istituzionale di ricercatori ha sviluppato nuove tessere metamateriali che contribuiranno a migliorare la sensibilità dei telescopi in costruzione presso il preminente Osservatorio Simons in Cile. Le tessere sono state incorporate nei ricevitori che saranno schierati presso l'osservatorio entro il 2022.

L'Osservatorio Simons è il centro di uno sforzo ambizioso per misurare il fondo cosmico a microonde, la radiazione elettromagnetica rimasta da una fase iniziale dell'universo, utilizzando alcuni dei telescopi terrestri più grandi e sofisticati del mondo. Queste misurazioni aiuteranno a migliorare la nostra comprensione di come è iniziato l'universo, di cosa è fatto e come si è evoluto in quello che è oggi.

"I telescopi dell'Osservatorio Simons utilizzeranno una nuova fotocamera a onde millimetriche ultrasensibile per misurare il bagliore residuo del big bang con una sensibilità senza precedenti, " ha affermato l'autore principale Zhilei Xu dell'Università della Pennsylvania. "Abbiamo sviluppato una nuova piastrella assorbente a basso costo che verrà utilizzata nella fotocamera per assorbire le emissioni ambientali che possono oscurare i segnali che vogliamo misurare".

Nella rivista della Optical Society (OSA) Ottica applicata , i ricercatori mostrano che le piastrelle a microonde in metamateriale che hanno sviluppato assorbono più del 99 percento della radiazione delle onde millimetriche e mantengono le loro proprietà di assorbimento alle temperature estremamente basse in cui opera la telecamera a onde millimetriche.

"Poiché le piastrelle possono essere realizzate mediante stampaggio a iniezione di materiali disponibili in commercio, sono economici, soluzione producibile in serie e facile da installare a quello che è stato un problema di lunga data, " ha detto Xu. "Con questa tecnologia, l'Osservatorio Simons trasformerà la nostra comprensione dell'universo da molti aspetti, compreso l'inizio dell'universo, la formazione e l'evoluzione delle galassie e l'accensione delle prime stelle."

Lavorare a basse temperature

I telescopi a onde millimetriche terrestri utilizzano ricevitori raffreddati a temperature criogeniche per ridurre il rumore e quindi aumentare la sensibilità. La tecnologia del ricevitore è avanzata al punto in cui qualsiasi quantità di luce diffusa può degradare l'immagine riducendo anche la sensibilità del rilevatore. Un modo migliore per sopprimere la luce diffusa all'interno dei ricevitori aumenterebbe ulteriormente la loro sensibilità ai segnali molto deboli provenienti dalle profondità dello spazio.

Però, lo sviluppo di un materiale in grado di sopprimere la luce parassita durante il funzionamento a temperature estremamente basse è piuttosto impegnativo. Tentativi precedenti hanno portato a materiali che non potevano essere raffreddati efficacemente a temperature criogeniche o che non raggiungevano la necessaria combinazione di bassa riflettanza e alto assorbimento. Anche altre soluzioni tendono ad essere difficili da installare o difficili da produrre in serie.

Per superare queste sfide, i ricercatori si sono rivolti ai metamateriali perché possono essere progettati per ottenere proprietà specifiche che non si verificano in natura. Dopo complessi studi di simulazione elettromagnetica, i ricercatori hanno progettato metamateriali basati su un materiale che combinava particelle di carbonio e plastica.

Ridurre la riflessione

Sebbene il composito plastico abbia mostrato un elevato assorbimento nella regione delle microonde desiderata dello spettro elettromagnetico, la superficie rifletteva una quantità significativa di radiazione prima che potesse penetrare all'interno del materiale da assorbire. Per ridurre il riflesso, i ricercatori hanno aggiunto un rivestimento antiriflesso che è stato adattato utilizzando lo stampaggio a iniezione.

"La superficie a bassa riflettanza combinata con materiale sfuso ad alto assorbimento ha permesso alle piastrelle assorbenti in metamateriale di fornire un'eccellente soppressione dei segnali indesiderati a temperature criogeniche vicine allo zero assoluto, " disse Xu.

Dopo essersi assicurati che le piastrelle realizzate con il nuovo metamateriale potessero sopravvivere meccanicamente ai cicli termici da temperatura ambiente a temperature criogeniche, i ricercatori hanno verificato che potevano essere efficacemente raffreddati a -272° C (-458° F) e quindi hanno misurato le loro prestazioni ottiche. "Abbiamo sviluppato una struttura di prova personalizzata per misurare le prestazioni delle piastrelle con alta fedeltà, " ha detto Grace Chesmore, uno studente laureato presso l'Università di Chicago che ha guidato le misurazioni ottiche di questa ricerca. Il test ha mostrato che il metamateriale ha mostrato eccellenti proprietà di riflettanza con una bassa dispersione e che ha assorbito quasi tutti i fotoni in ingresso.

"Poiché la sensibilità del rivelatore continua a migliorare per i telescopi a onde millimetriche, diventa cruciale controllare i fotoni sparsi, " ha detto Xu. "La riuscita combinazione di un metamateriale e la produzione di stampaggio a iniezione apre molte possibilità per la progettazione di strumenti scientifici di strumenti a onde millimetriche".