用于研究宇宙中最古老的光的新型超材料结构

剩下：McMahon团队开发的镜头之一安装在相机组件中。右上：这显示了负责镜片抗反射性能的阶梯式金字塔超材料结构的特写视图。右下：最近制造的硅镜片的McMahon实验室成员。

宇宙微波背景，或CMB，是大爆炸的电磁回声，辐射已经通过空间和时间行驶，因为我们宇宙开始后的38万年出生。映射CMB中的微量曲线变化告诉科学家了解我们的宇宙如何以及它的制作。

为了捕捉来自CMB的古老，冷光，研究人员使用配备有超声波的专用望远镜来检测毫米波长信号。下一代摄像机最多可包含100,000个超导探测器。Fermilab科学家和芝加哥大学副教授Jeff McMahon和他的团队已经开发出一种新型的超材料基础抗反射涂层，用于这些摄像机中使用的硅镜片。

“没有这些，至少有一半的项目是不可能的，”麦克马洪说。

超材料是工程材料，具有不自然发生的性质。魔术在微观结构 - 微小，重复特征小于光的波长，它们被设计为与之交互。这些功能弯曲，块或以其他方式操纵光线以非常规方式。

通常，抗反射涂层通过以从涂层的每一侧反射光以使得反射的光颗粒相互干扰并互相抵消，消除反射。对于McMahon的超材料，“涂层”是每件硅镜片的每一侧的一百万微小，精确切割。关闭，特征看起来像阶梯金字塔 - 三层方形柱堆叠在一起。柱子的间距和厚度进行微调，以产生反射光之间的最大破坏性干扰。

麦克马洪说：“光线刚刚通过十分之一的反思机会航行。”

Jeff McMahon及其团队开发了使用弯曲镜片的新技术，而不是CMB望远镜镜头的扁平硅晶片。

单晶硅镜片对微波和超纯度透明，使得通过透镜的光不会被杂质吸收或散射。硅具有必要的光弯曲性能，用于将光从望远镜从望远镜达到大量的传感器，并且超材料结构负责反射。因为每个镜头由单个纯硅晶体制成，所以它们可以承受低温温度（探测器必须在0.1开塞尔蛋白操作），而不会裂开或剥离与由不同材料制成的抗反射涂层的透镜裂解或剥离。

麦克马洪说，所有镜头都可以说，这些镜头可以说是CMB仪器的最佳技术。

“麦克马登表示，”这不是你无法做到的实验，但对于当前和下一代CMB调查所需的性能和耐用性，这些镜头是最先进的 - 他的团队是唯一的人在世界的世界里。

麦克马洪和他的团队开始在10年前开始开发该技术，当时他们开始在新型的探测器阵列上工作，并意识到他们需要更好，更不反光的镜头。他说，难以解决，弄清楚如何制作它。存在用于在扁平硅晶片中进行微米准确切割的技术，但没有人曾经施加过镜头。他们制作的第一款镜头，对于Atacama宇宙学望远镜称为ACT，需要12周的时间来制作，因为需要制造大量的切割。现在，在Fermilab的改进的机器和自动化，该过程每镜头只需要四天，并且麦克马洪希望他们能够进一步简化它。

在密歇根大学工作到2020年1月，McMahon的团队为目前的CMB实验制造了大约20个镜头，包括Actpol，高级Actpol，Class，Toltec和Piper。它们现在正在为西蒙斯天文台生产镜头，这将在明年开始收集数据。从那里，他们将开始为CMB-S4（COSMIC微波背景阶段4）进行额外的镜头，这是Fermilab是成员的下一代项目。CMB-S4计划在2027年开始在2027年使用21个望远镜在智利和南极的望远镜以获得最详细的CMB调查。

“第二个我们完成镜头，它正在做科学，这就是让我对我有趣的事情，”麦克马洪说。“所有的超材料都很酷，但在一天结束时，我只想Put宇宙如何开始以及它的内容。”

McMahon比较CMB-S4打开一个充满金色和珠宝的宝箱。他和另一个研究人员贡献不知道他们在数据中都能找到什么，但他们知道这将是有价值的。即使他们没有找到原始的引力波 - 一个项目的主要目标之一 - 实验仍将在宇宙谜团等暗物质，暗物质和中微子群众上脱落。

麦克马洪所说，他的团队通过镜头技术实现了什么，这是对大科学的大量努力的大学。

“努力是开始了解宇宙的开始，”他说。“而我们所做的方式是通过弄清楚如何在硅中加上小功能。”

这项工作得到了科学能源办公室的支持。