پوششی جدید برای آینه‌ها که دانش بشر را از کیهان تا چند برابر افزایش خواهد داد
دانشمندان علم مواد با پیشرفت فناوری به پوشش جدیدی برای آینه‌های آشکارساز امواج گرانشی دست یافته‌اند که دریافت صحیح امواج گرانشی را تا چند برابر افزایش می‌دهد.
از زمانی که «رصدخانه‌ی موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری» (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) یا «لایگو» (LIGO) در سال ۲۰۱۵ امواج گرانشی تولید شده توسط یک جفت سیاهچاله‌ی در حال برخورد را شناسایی کرد، این رصدخانه همراه با همتای اروپایی خود یعنی «ویرگو» (Virgo) ده‌ها رویداد کیهانی مشابه را که امواج را در فضا-زمان نشر می‌دهند، شناسایی کرده است.
انتظار می‌رود که در آینده، با ارتقای بیشتر و بیشتر رصدخانه‌های لایگو که توسط بنیاد ملی علوم آمریکا پشتیبانی می‌شوند و یکی در هن‌فورد واشنگتن و دیگری در لیوینگستن لوئیزیانا قرار دارند، شمار بسیار بیشتری از این رویدادهای کیهانی شدید شناسایی شوند. این مشاهدات به حل معماهای اساسی درباره‌ی جهان ما مانند چگونگی تشکیل سیاهچاله‌ها و چگونگی ساخت اجزای کیهان کمک می‌کنند.
یکی از عوامل مهم در افزایش حساسیت رصدخانه‌ها، پوشش‌های روی آینه‌های شیشه‌ای است که در قلب ابزارهای علمی قرار دارند. هر آینه‌ی ۴۰ کیلویی، که در هر آشکارساز دو رصدخانه‌ی لایگو چهار عدد از آن وجود دارد، با مواد بازتابنده‌ای پوشانده شده است که شیشه را به آینه تبدیل می‌کنند. آینه‌ها پرتوهای لیزری را منعکس می‌کنند که به امواج گرانشی عبوری حساس هستند.
به‌طور کلی، هرچه آینه‌ها بازتاب بیشتری داشته باشند، ابزار حساس‌تر است، اما یک نکته وجود دارد؛ پوشش‌هایی که موجب بازتابندگی آینه‌ها می‌شوند هم می‌توانند باعث نویز پس‌زمینه در دستگاه شوند که این نویزها سیگنال‌های مطلوب موج گرانشی را پنهان می‌کنند.
به‌تازگی یک مطالعه توسط تیم لایگو، نوع جدیدی از پوشش آینه‌ای ساخته شده از تیتانیوم اکسید و ژرمانیوم اکسید را معرفی کرده است که با توان دو، باعث کاهش نویز پس‌زمینه‌ی آینه‌های این مجموعه می‌شود و در نتیجه حجم فضایی را که لایگو می‌تواند کاوش کند با فاکتور هشت افزایش می‌دهد.
«گابریل واجنته» (Gabriele Vajente) دانشمند تحقیقاتی ارشد لایگو در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا و نویسنده اصلی این مقاله درباره‌ی این کار که در نشریه‌ی «فیزیکال ریویو لترز» (Physical Review Letters) منتشر شده است، گفت: «ما می‌خواستیم به لبه‌ی آنچه که امروز می‌توانیم ببینیم دست یابیم. توانایی ما برای مطالعه‌ی مقیاس بزرگ نجومی کیهان با آنچه در این فضای بسیار کوچک میکروسکوپی روی می‌دهد محدود شده است.»
«دیوید ریتز» (David Reitze) مدیر اجرایی آزمایشگاه لایگو از کلتک هم خاطرنشان کرد: «با این پوشش‌های جدید، انتظار داریم که بتوانیم نرخ تشخیص امواج گرانشی را از یک بار در هفته، به یک بار در روز یا حتی بیشتر افزایش دهیم.»
این تحقیق که ممکن است در آینده در زمینه‌های مخابرات و نیمه‌رساناها کاربرد داشته باشد، با همکاری مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا، دانشگاه ایالتی کلرادو، دانشگاه مونترال و دانشگاه استنفورد، که سینکروترون آن در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده‌ی SLAC برای توصیف پوشش‌های تازه استفاده شد، صورت گرفته است.
لایگو با استفاده از آشکارسازهایی به نام تداخل‌سنج، امواج را در فضا-زمان تشخیص می‌دهد. در این ساختار، یک پرتو لیزر قدرتمند به دو بخش تقسیم می‌شود؛ هر پرتو از یک بازوی محفظه‌ی خلاء L-شکل بزرگ به سمت آینه‌هایی در ۴ کیلومتری حرکت می‌کند.
رصدخانه‌ی لایگو دو بازو دارد. نور لیزر در آن‌ها تابانده و بازتاب می‌شود. وقتی امواج گرانشی از رصدخانه عبور می‌کند، طول بازوها تغییر می‌کند و سامانه این موضوع را متوجه می‌شود.
Credit: LIGO
سپس آینه‌ها پرتوهای لیزر را به منبعی که از آن سرچشمه گرفته‌اند بازتاب می‌دهند. هنگامی که امواج گرانشی از این پرتوها می‌گذرند، فضا را تقریبا به‌طور نامحسوس و در عین حال قابل تشخیص (بسیار کمتر از عرض یک پروتون) کشیده و فشرده می‌کنند و این آشفتگی‌ها، زمان بازگشت دو پرتو لیزر به منبع را تغییر می‌دهند.
با چنین حساسیت بالایی، هر گونه ناهمواری در خود آینه‌ها، حتی ارتعاشات حرارتی میکروسکوپی اتم‌ها در پوشش آن‌ها، می‌تواند بر زمان رسیدن پرتوهای لیزر اثر بگذارد و جداسازی سیگنال‌های امواج گرانشی را دشوار سازد.
واجنته بیان کرد: «هر بار که نور از میان دو ماده‌ی مختلف عبور می‌کند، بخشی از آن نور منعکس می‌شود. این همان چیزی است که در پنجره‌های اتاق روی می‌دهد و شما می‌توانید انعکاس ضعیف خود را در شیشه ببینید. با افزودن چندین لایه از مواد مختلف، می‌توانیم هر انعکاس را تقویت کنیم و باعث شویم تا آینه‌ها تا ۹۹.۹۹۹ درصد بازتابندگی داشته باشند.»
به گفته‌ی او، نکته‌ی مهم درباره‌ی این کار، این است که روش جدیدی برای آزمایش بهتر مواد ایجاد شده است. این استاد کلتک گفت: «اکنون می‌توانیم خواص یک ماده‌ی جدید را در حدود هشت ساعت و کاملا به‌صورت خودکار آزمایش کنیم، در حالی که پیش از این تقریبا یک هفته طول می‌کشید. این پیشرفت به ما امکان داد تا جدول تناوبی را با آزمایش مواد مختلف و ترکیب‌های زیاد بررسی کنیم. برخی از موادی که ما امتحان کردیم کار نکردند، اما در عین حال این آزمایش‌ها به ما بینشی درباره‌ی خواصی که می‌توانند مهم باشند، داد.»
در پایان، دانشمندان کشف کردند که یک ماده‌ی پوششی ساخته شده از ترکیب تیتانیوم اکسید و ژرمانیوم اکسید، کمترین انرژی را که برابر با کاهش ارتعاشات گرمایی است، تلف می‌کند.
«کارمن منونی» (Carmen Menoni) استاد دانشگاه ایالتی کلرادو و عضو همکاری علمی لایگو گفت: «ما فرآیند ساخت را به گونه‌ای تنظیم کردیم که نیازهای سخت‌گیرانه برای داشتن کیفیت نوری و کاهش نویز حرارتی پوشش‌های آینه را برآورده کنیم.»
او و همکارانش از روشی به نام «کندوپاشی پرتو یونی» (Ion Beam Sputtering) برای پوشاندن آینه‌ها استفاده کردند. در این فرآیند، اتم‌های تیتانیوم و ژرمانیوم از منبعی جدا می‌شوند و پس از ترکیب با اکسیژن روی شیشه قرار می‌گیرند تا لایه‌های نازکی از اتم‌ها ایجاد شود.
پوشش جدید ممکن است برای پنجمین دوره‌ی رصدی لایگو، که در اواسط دهه به‌عنوان بخشی از برنامه‌ی «ادونسد لایگو پلاس» (Advanced LIGO Plus) آغاز خواهد شد، استفاده شود. در همین حال، انتظار می‌رود که چهارمین دوره‌ی رصدی لایگو، آخرین گام در کارزار علمی «ادونسد لایگو» (Advanced LIGO) تابستان ۲۰۲۲ آغاز شود.
به گفته‌ی ریتز این پوشش تازه یک تغییردهنده‌ی بازی برای Advanced LIGO Plus و یک نمونه‌ی عالی است که نشان می‌دهد لایگو چقدر شدید به تحقیق و توسعه‌ی اپتیک پیشرفته و علم مواد وابسته است. این یافته حالا بزرگ‌ترین پیشرفت در توسعه‌ی پوشش نوری دقیق برای لایگو در ۲۰ سال گذشته محسوب می‌شود.
عکس کاور: پوشش تازه روی دیسک شیشه‌ای که از آینه‌های لایگو کوچک‌تر است، آزمایش می‌شود. رنگ صورتی به دلیل لایه‌ی نازک اکسید فلزی است.
Credit: Caltech
منبع: Phys.Org
