Um grupo multiinstitucional de pesquisadores desenvolveu novos blocos de metamateriais que ajudarão a melhorar a sensibilidade dos telescópios que estão sendo construídos no proeminente Observatório Simons, no Chile. As telhas foram incorporadas a receptores que serão implantados no observatório em 2022.

O Observatório Simons é o centro de um esforço ambicioso para medir a radiação cósmica de fundo em microondas - radiação eletromagnética que sobrou de um estágio inicial do universo - usando alguns dos maiores e mais sofisticados telescópios terrestres do mundo. Essas medições ajudarão a melhorar nossa compreensão de como o universo começou, do que é feito e como evoluiu para o que é hoje.

"Os telescópios do Observatório Simons usarão uma nova câmera ultrassensível de ondas milimétricas para medir o brilho residual do big bang com uma sensibilidade sem precedentes, "disse o autor principal Zhilei Xu da Universidade da Pensilvânia." Desenvolvemos um novo ladrilho absorvente de baixo custo que será usado na câmera para absorver as emissões ambientais que podem obscurecer os sinais que queremos medir. "

Na revista Optical Society (OSA) Óptica Aplicada , os pesquisadores mostram que as placas de micro-ondas de metamaterial que desenvolveram absorvem mais de 99 por cento da radiação de ondas milimétricas e retêm suas propriedades de absorção em temperaturas extremamente baixas em que a câmera de ondas milimétricas opera.

"Como os ladrilhos podem ser feitos por moldagem por injeção de materiais disponíveis no mercado, eles são econômicos, solução de produção em massa e fácil de instalar para o que tem sido um problema de longa data, "disse Xu." Com esta tecnologia, o Observatório Simons transformará nossa compreensão do universo em muitos aspectos, incluindo o início do universo, a formação e evolução das galáxias e a ignição das primeiras estrelas. "

Trabalhando em baixas temperaturas

Os telescópios terrestres de ondas milimétricas usam receptores que são resfriados a temperaturas criogênicas para reduzir o ruído e, assim, aumentar a sensibilidade. A tecnologia do receptor avançou ao ponto em que qualquer quantidade de luz dispersa pode degradar a imagem, ao mesmo tempo que diminui a sensibilidade do detector. Uma maneira melhor de suprimir a luz difusa dentro dos receptores aumentaria ainda mais sua sensibilidade aos sinais muito fracos vindos das profundezas do espaço.

Contudo, desenvolver um material que possa suprimir a luz difusa durante a operação em temperaturas extremamente baixas é bastante desafiador. As tentativas anteriores resultaram em materiais que não puderam ser resfriados de forma eficaz a temperaturas criogênicas ou não alcançaram a combinação necessária de baixa refletância e alta absorção. Outras soluções também tendem a ser difíceis de instalar ou difíceis de produzir em massa.

Para superar esses desafios, os pesquisadores se voltaram para metamateriais porque eles podem ser projetados para atingir propriedades específicas que não ocorrem na natureza. Após estudos complexos de simulação eletromagnética, os pesquisadores projetaram metamateriais com base em um material que combinava partículas de carbono e plástico.

Reduzindo a reflexão

Embora o compósito de plástico tenha exibido alta absorção na região de microondas desejada do espectro eletromagnético, a superfície refletiu uma quantidade significativa de radiação antes que pudesse entrar no material a ser absorvido. Para reduzir o reflexo, os pesquisadores adicionaram um revestimento anti-reflexo que foi feito sob medida usando moldagem por injeção.

"A superfície de baixa refletância combinada com o material a granel de alta absorção permitiu que os ladrilhos absorvedores de metamaterial entregassem excelente supressão de sinais indesejados em temperaturas criogênicas próximas do zero absoluto, "disse Xu.

Depois de garantir que as telhas feitas do novo metamaterial poderiam sobreviver mecanicamente aos ciclos térmicos de temperatura ambiente a temperaturas criogênicas, os pesquisadores verificaram que eles poderiam ser resfriados com eficácia a -272 ° C (-458 ° F) e então mediram seu desempenho óptico. “Desenvolvemos uma instalação de teste customizada para medir o desempenho dos ladrilhos com alta fidelidade, "disse Grace Chesmore, um estudante de graduação da Universidade de Chicago que liderou as medições ópticas desta pesquisa. O teste mostrou que o metamaterial exibiu excelentes propriedades de refletância com baixo espalhamento e que absorveu quase todos os fótons que chegam.

"À medida que a sensibilidade do detector continua a melhorar para os telescópios de ondas milimétricas, torna-se crucial controlar os fótons espalhados, "disse Xu." A combinação bem-sucedida de um metamaterial e fabricação de moldagem por injeção abre muitas possibilidades para o projeto de instrumentos científicos de instrumentos de ondas milimétricas. "