Cientistas fazem um novo tipo de dispositivo óptico usando alumina

Figura 1: Um diagrama esquemático mostrando como os pesquisadores podem estudar a radiação do universo primitivo usando um filtro reflexivo infravermelho com uma estrutura de olho de mariposa criada por um processo de laser pulsado. Crédito: NASA, ESA, M. Postman (STScI) e CLASH Team / NRAO, AUI, NSF / modificado por Kavli IPMU

Cientistas do Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe e da Universidade de Minnesota, Tomotake Matsumura e Shaul Hanany, e seus colaboradores criaram um novo tipo de elemento óptico que melhorará o desempenho dos telescópios que estudam a radiação do Big Bang.

A radiação cósmica de fundo (CMB) é uma relíquia de radiação remanescente do big bang. Chega aos nossos telescópios depois de viajar 14 bilhões de anos desde o nascimento do Universo. Estudando as propriedades dessa radiação, os cientistas inferem a física do big bang, como os aglomerados de galáxias se formam e o conteúdo de matéria e energia no Universo. Quatro prêmios Nobel foram concedidos por estudos anteriores do CMB.

Para estudar a CMB, os telescópios devem estar sintonizados nos comprimentos de onda em que ela é mais intensa, cerca de 1-3 mm, e devem separar a radiação de comprimento de onda mais curta que a atmosfera e a Via Láctea emitem. Entre os elementos ópticos mais eficazes que absorvem a radiação de comprimento de onda curto, mas permitem a passagem do CMB, está a alumina, um material feito de alumínio e oxigênio e que perde em dureza apenas para o diamante. Um desafio com o uso de alumina é que ela também reflete quase 50% da radiação que incide sobre ela. Matsumura e Hanany criaram uma nova maneira de fabricar estruturas antirreflexo que reduzem os reflexos em cinquenta vezes.

Figura 2: Imagens de um lado do filtro fabricado. O outro lado é idêntico. (a) Uma fotografia de todo o filtro. A régua é graduada até um comprimento de 300 mm. (b) Uma área ampliada. (c) Renderização de varredura de microscopia confocal do SWS. Crédito: Takaku et al.

Os pesquisadores fizeram uma parceria com Mark Devlin e Simon Dicker, colegas da Universidade da Pensilvânia que estão operando o instrumento MUSTANG2, que está acoplado ao Green Bank Telescope na Virgínia. Hanany e Matsumura forneceram à equipe MUSTANG2 um absorvedor de comprimento de onda curto de alumina que possui as novas estruturas antirreflexo. O instrumento MUSTANG2 está agora realizando observações do céu com a nova tecnologia, demonstrando pela primeira vez seu sucesso.

Figura 3: O espectro de transmissão para o filtro MUSTANG2 para luz não polarizada (painel superior, pontos azuis), para luz polarizada s e p (painel inferior, pontos vermelhos e verdes, respectivamente) e transmissão prevista RCWA dados os dados de forma média para cada lado conforme fornecido na Tabela 2 (painel superior, ciano sólido e painel inferior vermelho e verde sólido). A transmissão média dentro da banda (região branca) é de 98%. Observe as diferentes extensões verticais para os dois painéis, que fornecem uma visão geral do desempenho e detalhes sobre a concordância entre os dados e as previsões RCWA. Crédito: Takaku et al.

Os pesquisadores padronizaram a alumina com pequenas estruturas piramidais, que têm cerca de um milímetro de altura (0,04 polegada) e se repetem ao longo de 30 cm (um pé) de diâmetro com uma periodicidade de pouco menos de um milímetro. Há muito se sabe que a incorporação de tais estruturas nas superfícies dos materiais reduz os reflexos. Com as pequenas pirâmides, a luz entra e sai do material de forma mais gradual, levando a uma reflexão muito menor. A inovação de Matsumura e Hanany está na forma como padronizaram a alumina, que é muito difícil de ser usinada com ferramentas padrão. Eles usaram laser pulsado ultracurto, com pulsos de poucos trilionésimos de segundo e atingindo 100 megawatts cada, para remover o material e moldar o relevo da superfície para sua forma antirreflexiva ideal. Em cerca de quatro dias, o processo a laser produziu 320.000 pirâmides em ambos os lados do disco de alumina. Os pesquisadores mediram as propriedades da amostra de alumina e mostraram que ela reflete menos de 1% da radiação incidente. Esta é a primeira vez que um elemento óptico desse tipo foi fabricado e acoplado a um instrumento operacional, e é a maior amostra de alumina a ser ablacionada a laser.

Essa inovação levará a instrumentos mais eficientes olhando para trás no tempo e revelando o processo físico no Big Bang e ao longo da evolução do universo.

Publicado em 29/01/2022 07h42

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