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超材料瓷砖提高了大型望远镜的灵敏度

一个由多机构组成的研究人员小组开发了新的超材料砖,这些砖将有助于提高智利著名的西蒙斯天文台建造的望远镜的灵敏度。这些磁贴已合并到接收器中,并将于2022年在天文台部署。

西蒙斯天文台是一项雄心勃勃的工作的中心,它使用一些世界上最大,最先进的地基望远镜来测量宇宙微波背景-宇宙早期留下的电磁辐射。这些测量结果将有助于增进我们对宇宙的起源,其组成以及如何演变成今天的了解。

宾夕法尼亚大学的主要作者徐志磊说:“西蒙斯天文台望远镜将使用一种新型的超灵敏毫米波相机,以前所未有的灵敏度测量大爆炸的余辉。” “我们开发了一种新型的低成本吸收性瓷砖,它将用于相机中,以吸收可能掩盖我们要测量的信号的环境排放物。”

在光学协会(OSA)的《应用光学》杂志上,研究人员表明,他们开发的超材料微波瓦吸收了99%以上的毫米波辐射,并在毫米波相机工作的极低温度下保持了吸收性能。

“由于瓷砖可以通过注塑成型可商购的材料制成,因此对于长期存在的问题而言,它们是一种经济,可大量生产且易于安装的解决方案,”徐说。“利用这项技术,西蒙斯天文台将从许多方面改变我们对宇宙的理解,包括宇宙的开始,星系的形成和演化以及第一批恒星的点火。”

徐志磊将240块新的吸收性瓷砖安装到一个光学管中,该光学管将用于西蒙斯天文台大口径望远镜接收器中。图片提供:许志磊,宾夕法尼亚大学

在低温下工作

地面毫米波望远镜使用的接收器被冷却至低温,以降低噪声并因此提高灵敏度。接收器技术已经发展到可以使任何数量的杂散光降低图像质量,同时还降低检测器灵敏度的程度。抑制接收器内杂散光的更好方法将进一步提高其对来自太空深处的微弱信号的灵敏度。

但是,开发一种能够在如此低的温度下工作时抑制杂散光的材料具有很大的挑战性。先前的尝试导致材料无法有效地冷却至低温或无法实现低反射率和高吸收率的必要组合。其他解决方案也往往难以安装或难以批量生产。

为了克服这些挑战,研究人员转向超材料,因为可以对其进行工程设计以实现自然界中不会出现的特定特性。经过复杂的电磁仿真研究,研究人员基于将碳颗粒和塑料结合在一起的材料设计了超材料。

研究人员开发了新的超材料瓦,它们将通过吸收杂散光来提高西蒙斯天文台望远镜的灵敏度。左上方的照片显示了一块瓷砖,其抗反射表面显示在插页中。左下方的照片显示了瓷砖的背面,右照片显示了安装在光管壁上的240个瓷砖的组装。图片提供:许志磊,宾夕法尼亚大学

减少反射

尽管塑料复合材料在电磁波谱的所需微波区域中表现出高吸收性,但在其进入要吸收的材料内部之前,表面会反射大量的辐射。为了减少反射,研究人员添加了采用注塑成型的抗反射涂层。

“低反射率表面与高吸收性块状材料相结合,使得超材料吸收器砖在接近绝对零值的低温下能够出色地抑制有害信号。” Xu说。

在确保由这种新型超材料制成的瓷砖能够在机械上经受住从室温到低温的热循环之后,研究人员证实它们可以有效地冷却到-272°C(-458°F),然后测量其光学性能。芝加哥大学的研究生Grace Chesmore说:“我们开发了一种定制的测试设备来测量高保真度的瓷砖性能。” 测试表明,超材料显示出优异的反射特性,散射低,并且吸收了几乎所有入射光子。

“随着毫米波望远镜探测器灵敏度的不断提高,控制散射光子变得至关重要。” “超材料和注塑成型制造的成功结合为毫米波仪器科学仪器设计开辟了许多可能性。”

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