Les carreaux de métamatériau augmentent la sensibilité des grands télescopes – Technoguide

Un groupe multi-institutionnel de chercheurs a développé de nouvelles tuiles de métamatériaux qui aideront à améliorer la sensibilité des télescopes en cours de construction au prééminent observatoire Simons au Chili. Les tuiles ont été intégrées dans des récepteurs qui seront déployés à l’observatoire d’ici 2022.

L’observatoire Simons est au centre d’un effort ambitieux pour mesurer le fond cosmologique des micro-ondes – rayonnement électromagnétique laissé à un stade précoce de l’univers – à l’aide de certains des télescopes terrestres les plus grands et les plus sophistiqués au monde. Ces mesures nous aideront à mieux comprendre comment l’univers a commencé, de quoi il est fait et comment il a évolué pour devenir ce qu’il est aujourd’hui.

“Les télescopes de l’observatoire Simons utiliseront une nouvelle caméra ultra-sensible à ondes millimétriques pour mesurer la rémanence du big bang avec une sensibilité sans précédent”, a déclaré l’auteur principal Zhilei Xu de l’Université de Pennsylvanie. “Nous avons développé une nouvelle tuile absorbante à faible coût qui sera utilisée dans la caméra pour absorber les émissions environnementales qui peuvent masquer les signaux que nous voulons mesurer.”

Dans la revue Applied Optics de l’Optical Society (OSA), les chercheurs montrent que les tuiles micro-ondes en métamatériau qu’ils ont développées absorbent plus de 99% du rayonnement d’ondes millimétriques et conservent leurs propriétés d’absorption aux températures extrêmement basses dans lesquelles la caméra à ondes millimétriques fonctionne.

«Parce que les carreaux peuvent être fabriqués par moulage par injection de matériaux disponibles dans le commerce, ils constituent une solution économique, pouvant être produite en série et facile à installer à ce qui est un problème de longue date», a déclaré Xu. “Avec cette technologie, l’observatoire Simons transformera notre compréhension de l’univers sous de nombreux aspects, y compris le début de l’univers, la formation et l’évolution des galaxies et l’allumage des premières étoiles.”

Travailler à basse température

Les télescopes à ondes millimétriques au sol utilisent des récepteurs refroidis à des températures cryogéniques pour réduire le bruit et ainsi augmenter la sensibilité. La technologie des récepteurs a évolué au point où toute quantité de lumière parasite peut dégrader l’image tout en diminuant la sensibilité du détecteur. Une meilleure façon de supprimer la lumière parasite à l’intérieur des récepteurs augmenterait encore leur sensibilité aux signaux très faibles provenant des profondeurs de l’espace.

Cependant, développer un matériau capable de supprimer la lumière parasite tout en fonctionnant à des températures extrêmement basses est assez difficile. Les tentatives précédentes ont abouti à des matériaux qui ne pouvaient pas être refroidis efficacement à des températures cryogéniques ou qui n’obtenaient pas la combinaison nécessaire d’une faible réflectance et d’une forte absorption. D’autres solutions ont également eu tendance à être difficiles à installer ou à produire en série.

Pour surmonter ces défis, les chercheurs se sont tournés vers les métamatériaux, car ils peuvent être conçus pour obtenir des propriétés spécifiques qui ne se produisent pas dans la nature. Après des études complexes de simulation électromagnétique, les chercheurs ont conçu des métamatériaux basés sur un matériau combinant des particules de carbone et du plastique.

Réduire la réflexion

Bien que le composite plastique présente une absorption élevée dans la région micro-ondes souhaitée du spectre électromagnétique, la surface réfléchit une quantité significative de rayonnement avant de pouvoir pénétrer à l’intérieur du matériau à absorber. Pour réduire la réflexion, les chercheurs ont ajouté un revêtement antireflet qui a été conçu en utilisant le moulage par injection.

“La surface à faible réflectance combinée à un matériau en vrac à haute absorption a permis aux tuiles absorbantes en métamatériau de fournir une excellente suppression des signaux indésirables à des températures cryogéniques proches du zéro absolu”, a déclaré Xu.

Après s’être assuré que les carreaux fabriqués à partir du nouveau métamatériau pouvaient survivre mécaniquement aux cycles thermiques allant de la température ambiante aux températures cryogéniques, les chercheurs ont vérifié qu’ils pouvaient être efficacement refroidis à -272 ° C (-458 ° F), puis mesuré leurs performances optiques. «Nous avons développé une installation de test personnalisée pour mesurer les performances des carreaux avec une haute fidélité», a déclaré Grace Chesmore, étudiante diplômée à l’Université de Chicago qui a dirigé les mesures optiques de cette recherche. Les tests ont montré que le métamatériau présentait d’excellentes propriétés de réflectance avec une faible diffusion et qu’il absorbait presque tous les photons entrants.

“Alors que la sensibilité des détecteurs continue de s’améliorer pour les télescopes à ondes millimétriques, il devient crucial de contrôler les photons diffusés”, a déclaré Xu. “La combinaison réussie d’une fabrication de métamatériau et de moulage par injection ouvre de nombreuses possibilités pour la conception d’instruments scientifiques d’instruments à ondes millimétriques.”

Source de l’histoire:

Matériel fourni par The Optical Society. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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