Esquerda:Uma das lentes desenvolvidas pela equipe de McMahon é instalada em um conjunto de câmera. Canto superior direito:mostra uma visão de perto da estrutura do metamaterial da pirâmide escalonada responsável pelas propriedades anti-reflexo da lente. Embaixo à direita:Membros do laboratório McMahon ficam ao lado de lentes de silicone fabricadas recentemente. Crédito:Jeff McMahon
A radiação cósmica de fundo, ou CMB, é o eco eletromagnético do Big Bang, radiação que viaja através do espaço e do tempo desde o nascimento dos primeiros átomos 380, 000 anos após o início do nosso universo. O mapeamento de variações minúsculas no CMB informa aos cientistas sobre como nosso universo surgiu e de que é feito.
Para capturar o antigo, luz fria do CMB, pesquisadores usam telescópios especializados equipados com câmeras ultrassensíveis para detectar sinais de comprimento de onda milimétrica. As câmeras de próxima geração conterão até 100, 000 detectores supercondutores. O cientista do Fermilab e Professor Associado da Universidade de Chicago Jeff McMahon e sua equipe desenvolveram um novo tipo de revestimento anti-reflexo baseado em metamateriais para as lentes de silicone usadas nessas câmeras.
“Há pelo menos meia dúzia de projetos que não seriam possíveis sem eles, "Disse McMahon.
Metamateriais são materiais projetados com propriedades que não ocorrem naturalmente. A mágica está na microestrutura - minúscula, repetir recursos menores do que o comprimento de onda da luz com a qual foram projetados para interagir. Esses recursos se dobram, bloquear ou manipular a luz de maneiras não convencionais.
Geralmente, Os revestimentos anti-reflexo funcionam refletindo a luz de cada lado do revestimento de tal forma que as partículas refletidas de luz interferem e se cancelam, eliminando reflexão. Para metamateriais de McMahon, o "revestimento" é um milhão de minúsculos, cortes precisos em cada lado de cada lente de silicone. De perto, as feições parecem pirâmides em degraus - três camadas de pilares quadrados empilhados uns sobre os outros. O espaçamento e a espessura dos pilares são ajustados para criar o máximo de interferência destrutiva entre a luz refletida.
"A luz continua navegando com um décimo de por cento de chance de refletir, "Disse McMahon.
As lentes de silício de cristal único são transparentes às microondas e ultrapuras, de forma que a luz que passa pelas lentes não seja absorvida ou espalhada por impurezas. O silício tem as propriedades de curvatura de luz necessárias para obter luz do telescópio para uma grande variedade de sensores, e a estrutura metamaterial cuida da reflexão. Como cada lente é feita de um único cristal de silício puro, eles podem suportar temperaturas criogênicas (os detectores precisam operar a 0,1 kelvins) sem o risco de rachar ou descascar como lentes com revestimentos anti-reflexos feitos de um material diferente.
Jeff McMahon e sua equipe desenvolveram novas técnicas para trabalhar com lentes curvas em vez de pastilhas de silício planas para lentes telescópicas CMB. Crédito:Jeff McMahon
Tudo dito, essas lentes são indiscutivelmente a melhor tecnologia disponível para instrumentos CMB, McMahon diz.
"Não é exatamente que você não poderia fazer o experimento de outra forma, "McMahon disse, mas para o desempenho e durabilidade exigidos pelas pesquisas CMB atuais e de próxima geração, essas lentes são o que há de mais moderno - e sua equipe é a única pessoa no mundo que as fabrica.
McMahon e sua equipe começaram a desenvolver a tecnologia há cerca de 10 anos, quando começaram a trabalhar em um novo tipo de conjunto de detectores e perceberam que precisavam de um melhor, lente menos reflexiva para ir com ele. A parte difícil, ele diz, estava descobrindo como fazer isso. Existiam técnicas para fazer cortes precisos do micrômetro em bolachas de silício planas, mas ninguém nunca os aplicou a uma lente antes. A primeira lente que eles fizeram, para o Telescópio de Cosmologia Atacama, chamado ACT, levou 12 semanas para fabricar por causa do grande número de cortes que precisavam ser feitos. Agora, com máquinas aprimoradas e automação no Fermilab, o processo leva apenas quatro dias por lente, e McMahon espera que eles sejam capazes de simplificar ainda mais.
Trabalhando na Universidade de Michigan até janeiro de 2020, A equipe de McMahon fabricou cerca de 20 lentes para experimentos CMB atuais, incluindo ACTPol, ACTPol avançado, CLASSE, TolTEC e PIPER. Eles agora estão produzindo lentes para o Observatório Simons, que começará a coletar dados no próximo ano. De lá, eles começarão a fazer lentes adicionais para CMB-S4 (Cosmic Microwave Background Stage 4), um projeto de próxima geração do qual o Fermilab é membro. O CMB-S4 está programado para começar a coletar dados em 2027 usando 21 telescópios em observatórios no Chile e no Pólo Sul para o levantamento CMB mais detalhado já feito.
"Assim que terminarmos uma lente, está fazendo ciência, e é isso que o torna divertido para mim, "McMahon disse." Todo o material de metamaterial é legal, mas no final do dia eu só quero descobrir como o universo começou e o que há nele. "
McMahon compara o CMB-S4 a abrir um baú de tesouro cheio de ouro e joias. Ele e os outros pesquisadores que contribuíram para isso não sabem exatamente o que encontrarão nos dados, mas eles sabem que será valioso. Mesmo que eles não encontrem as ondas gravitacionais primordiais, um dos principais objetivos do projeto, o experimento ainda lançará luz sobre os mistérios cósmicos, como a energia escura, matéria escura e massas de neutrinos.
O que sua equipe conseguiu com sua tecnologia de lentes, McMahon diz, é um testemunho do efeito descomunal que pequenos esforços podem ter na grande ciência.
"O esforço é começar a entender o início do universo, "disse ele." E a maneira como estamos fazendo isso é descobrindo como mecanizar pequenos recursos em silício. "
