Lo sfondo cosmico a microonde, o CMB, è l'eco elettromagnetico del Big Bang, radiazione che ha viaggiato nello spazio e nel tempo sin dalla nascita dei primissimi atomi 380, 000 anni dopo l'inizio del nostro universo. La mappatura delle minuscole variazioni nel CMB racconta agli scienziati come è nato il nostro universo e di cosa è fatto.

Per catturare l'antico, luce fredda dal CMB, i ricercatori utilizzano telescopi specializzati dotati di fotocamere ultrasensibili per rilevare segnali di lunghezza d'onda millimetrica. Le telecamere di nuova generazione conterranno fino a 100, 000 rivelatori superconduttori. Lo scienziato del Fermilab e professore associato dell'Università di Chicago Jeff McMahon e il suo team hanno sviluppato un nuovo tipo di rivestimento antiriflesso a base di metamateriali per le lenti in silicio utilizzate in queste fotocamere.

"Ci sono almeno una mezza dozzina di progetti che non sarebbero possibili senza questi, "Ha detto McMahon.

I metamateriali sono materiali ingegnerizzati con proprietà che non sono presenti in natura. La magia è nella microstruttura:minuscola, caratteristiche ripetute più piccole della lunghezza d'onda della luce con cui sono progettate per interagire. Queste caratteristiche si piegano, bloccare o manipolare in altro modo la luce in modi non convenzionali.

In genere, i rivestimenti antiriflesso funzionano riflettendo la luce da ciascun lato del rivestimento in modo tale che le particelle di luce riflesse interferiscano e si annullino a vicenda, eliminando il riflesso Per i metamateriali di McMahon, il "rivestimento" è un milione di minuscoli, tagli precisi su ciascun lato di ciascuna lente in silicone. Da vicino, le caratteristiche sembrano piramidi a gradoni:tre strati di pilastri quadrati impilati uno sopra l'altro. La spaziatura e lo spessore dei pilastri è ottimizzato per creare la massima interferenza distruttiva tra la luce riflessa.

"La luce passa attraverso con un decimo di percentuale di possibilità di riflettere, "Ha detto McMahon.

Le lenti in silicio monocristallino sono trasparenti alle microonde e ultrapure in modo che la luce che passa attraverso la lente non venga assorbita o dispersa dalle impurità. Il silicio ha le proprietà di piegatura della luce necessarie per portare la luce dal telescopio su una vasta gamma di sensori, e la struttura metamateriale si occupa della riflessione. Poiché ogni lente è composta da un singolo cristallo di silicio puro, possono resistere a temperature criogeniche (i rivelatori devono funzionare a 0,1 kelvin) senza il rischio di screpolature o sbucciature come le lenti con rivestimento antiriflesso realizzate con un materiale diverso.

Tutto detto, queste lenti sono probabilmente la migliore tecnologia disponibile per gli strumenti CMB, dice McMahon.

"Non è esattamente che non potresti fare l'esperimento altrimenti, "McMahon ha detto, ma per le prestazioni e la durata richieste dalle indagini CMB attuali e di prossima generazione, queste lenti sono lo stato dell'arte e il suo team sono le uniche persone al mondo che le realizzano.

McMahon e il suo team hanno iniziato a sviluppare la tecnologia circa 10 anni fa, quando hanno iniziato a lavorare su un nuovo tipo di array di rivelatori e si sono resi conto che avevano bisogno di un sistema migliore, lenti meno riflettenti da abbinare. La parte difficile, lui dice, stava cercando di capire come farlo. Esistevano tecniche per realizzare tagli precisi al micrometro in wafer di silicio piatti, ma nessuno li aveva mai applicati a una lente prima. La prima lente che hanno realizzato, per il telescopio cosmologico Atacama, chiamato ATTO, ci sono volute 12 settimane per la fabbricazione a causa dell'enorme numero di tagli che dovevano essere fatti. Ora con macchine e automazione migliorate al Fermilab, il processo richiede solo quattro giorni per obiettivo, e McMahon spera di poterlo semplificare ulteriormente.

Lavorando all'Università del Michigan fino a gennaio 2020, Il team di McMahon ha fabbricato circa 20 lenti per gli attuali esperimenti CMB tra cui ACTPol, ACTPol avanzato, CLASSE, TolTEC e PIPER. Ora stanno producendo lenti per l'Osservatorio Simons, che inizierà a raccogliere dati il ​​prossimo anno. Da li, inizieranno a realizzare obiettivi aggiuntivi per CMB-S4 (Cosmic Microwave Background Stage 4), un progetto di nuova generazione di cui Fermilab è membro. CMB-S4 dovrebbe iniziare a raccogliere dati nel 2027 utilizzando 21 telescopi negli osservatori in Cile e al Polo Sud per l'indagine CMB più dettagliata di sempre.

"Nel secondo in cui finiamo una lente, è fare scienza, e questo è ciò che lo rende divertente per me, " ha detto McMahon. "Tutta la roba metamateriale è bella, ma alla fine voglio solo capire come è iniziato l'universo e cosa c'è dentro".

McMahon paragona CMB-S4 all'apertura di uno scrigno pieno di oro e gioielli. Lui e gli altri ricercatori che vi hanno contribuito non sanno esattamente cosa troveranno nei dati, ma sanno che sarà prezioso. Anche se non trovano le onde gravitazionali primordiali, uno degli obiettivi principali del progetto, l'esperimento farà comunque luce sui misteri cosmici come l'energia oscura, materia oscura e masse di neutrini.

Ciò che il suo team ha ottenuto con la tecnologia delle lenti, McMahon dice, è una testimonianza dell'enorme effetto che i piccoli sforzi possono avere sulla grande scienza.

"Lo sforzo è cominciare a capire l'inizio dell'universo, " ha detto. "E il modo in cui lo stiamo facendo è capire come lavorare piccole caratteristiche nel silicio".