Os pesquisadores criaram um novo dispositivo baseado em espelho magnético que pode um dia ajudar os cosmologistas a descobrir novos detalhes sobre ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais, particularmente aqueles emitidos quando o universo era extremamente jovem.

O novo trabalho é parte de uma colaboração multi-institucional financiada pelo Programa de Pesquisa de Tecnologia da Agência Espacial Européia (ESA) para desenvolver tecnologias necessárias para experimentos futuros, como o programa proposto de missão de satélite Cosmic Origins Explorer. Esta missão espacial visa adquirir alta precisão, mapas de céu completo do fundo cósmico de microondas - a emissão de relíquia que sobreviveu desde o Big Bang.

O fundo de micro-ondas cósmico tem sido objeto de intensa investigação desde sua descoberta há cerca de 50 anos. Nos últimos anos, temos visto um maior foco nos componentes polarizados desse fundo de micro-ondas - em particular um componente chamado modo B, que se acredita conter a chave para as informações sobre as ondas gravitacionais primordiais e os processos físicos que ocorreram no início da história do universo.

No jornal The Optical Society (OSA) Óptica Aplicada , os pesquisadores demonstraram um novo tipo de modulador de polarização baseado em um espelho magnético. O novo dispositivo pode superar um grande desafio para detectar a polarização do modo B - a capacidade de modular a polarização de microondas em uma ampla faixa de frequência. A operação de banda larga é necessária para discriminar espectralmente a polarização de modo B extremamente tênue da radiação de primeiro plano de outras fontes astrofísicas.

"Nós, como outros, trabalham há mais de duas décadas no desenvolvimento de tecnologias que possibilitem a detecção da polarização do modo B, "disse Giampaolo Pisano, Cardiff University, REINO UNIDO, primeiro autor do artigo. "Isso provou ser um problema desafiador porque apenas uma pequena parte do sinal geral exibe essa polarização."

Desenvolvendo a tecnologia

Um componente chave para a detecção de radiação de modo B é uma placa de meia onda, um dispositivo usado para modular a polarização da radiação eletromagnética. Girar a placa de meia onda faz com que a polarização da radiação também gire, criando um padrão oscilante que pode ser distinguido do sinal constante de radiação não polarizada.

Implementações anteriores dessas placas de meia onda resultaram em dispositivos de banda estreita inerentemente devido às propriedades ópticas dos materiais disponíveis ou ao design usado. A operação em uma ampla faixa de comprimentos de onda é crucial para distinguir a polarização de modo B originada do universo primitivo de sinais originados de outras fontes.

"A maior parte do esforço no desenvolvimento de tecnologia tem como objetivo fazer componentes ópticos que funcionem em larguras de banda maiores, "disse Pisano." Um dispositivo que cobre uma ampla faixa de frequência melhoraria muito o desempenho de instrumentação espacial complexa.

No novo trabalho, Pisano e seus colegas tentaram uma abordagem completamente nova que usa metamateriais - materiais feitos pelo homem projetados com recursos não encontrados em materiais naturais - para criar um espelho magnético que eles combinaram com uma grade polarizadora de fios.

"Os metamateriais nos permitiram inventar um material com as características de que precisávamos, "disse Pisano." Porque a abordagem que usamos é nova, permitiu-nos superar os limites da faixa de frequência que outros pesquisadores enfrentaram. "

Seu novo método tira vantagem do fato de que a reflexão de uma superfície magnética artificial estará fora de fase daquela refletida de um condutor elétrico perfeito, ou metal. Adicionar a grade de fios ao espelho magnético permite que uma polarização "veja" a grade de metal, enquanto a radiação polarizada ortogonalmente reflete no espelho magnético. O dispositivo resultante pode alterar a polarização em uma ampla faixa de frequência de micro-ondas.

O dispositivo protótipo demonstrado no artigo opera de cerca de 100 a 400 gigahertz com mais de 90 por cento de eficiência, o que significa que menos de 10 por cento do sinal foi perdido. Os pesquisadores dizem que com alguns pequenos ajustes, eles esperam alcançar uma largura de banda ainda maior e maior eficiência.

Preparando-se para o espaço

Com 20 centímetros de diâmetro, o dispositivo protótipo é uma versão miniaturizada daquele que poderia ser necessário para o satélite Cosmic Origins Explorer. Os pesquisadores agora estão trabalhando para desenvolver uma versão de meio metro, com o objetivo final de desenvolver um dispositivo final com mais de um metro de diâmetro. Fazer um dispositivo tão grande com a precisão necessária exigirá novas instalações e novos métodos para manusear o dispositivo durante as várias etapas de fabricação, desenvolvimentos que os pesquisadores dizem que provavelmente serão tão difíceis quanto desenvolver o conceito inicial.

"Agora que demonstramos o conceito, precisamos realizar testes de qualificação espacial para demonstrar sua robustez para o lançamento de um satélite, "disse Pisano." Também precisamos implantá-lo em instrumentos de detecção de modo B baseados em solo para demonstrar sua usabilidade no campo. "