Εναλλακτικό υλικό επικάλυψης κατόπτρων βελτιώνει την επίδοση των ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων

Για να ανακαλυφθούν τα αδύναμα «τιτιβίσματα» των βαρυτικών κυμάτων, οι ερευνητές στις αναβαθμισμένες εγκαταστάσεις των βελτιωμένων LIGO και Virgo πρέπει να ελαχιστοποιήσουν τον θόρυβο όσο το δυνατόν περισσότερο. Μια από τις πιο ενοχλητικές πηγές θορύβου σε αυτούς τους ανιχνευτές είναι οι θερμικές διακυμάνσεις στις επικαλύψεις των κατόπτρων. Ο Iain Martin από το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης, στο Ηνωμένο Βασίλειο, και οι συνεργάτες του τώρα προτείνουν ένα νέο υλικό επικάλυψης που θα μπορούσε να μειώσει το θερμικό θόρυβο σε θερμοκρασίες των περίπου 10 βαθμών Κέλβιν, που σχεδιάζεται να το λειτουργήσουν στην επόμενη γενιά ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων.

Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων χρησιμοποιούν βραχίονες μήκους χιλιομέτρων που διαμορφώθηκαν από δέσμες λέιζερ που αναπηδούν σε υψηλής ανακλαστικότητας κάτοπτρα. Για να μεγιστοποιηθεί η ανάκλαση, οι καθρέφτες επικαλύπτονται με εναλλασσόμενα στρώματα υλικών που έχουν υψηλούς και χαμηλούς δείκτες διαθλαστικότητας. Οι επιστρώσεις δημιουργούν ένα φαινόμενο συμβολής που μειώνει την απορρόφηση του φωτός σε λιγότερο από 5 μέρη στο εκατομμύριο.

Στους σημερινούς ανιχνευτές, οι επικαλύψεις κατασκευάζονται από ενισχυμένα πεντοξείδιο τανταλίου (Ta2O5) και διοξείδιο πυριτίου (SiO2). Αλλά και τα δυο αυτά υλικά εμφανίζουν ισχυρές μηχανικές απώλειες – πράγμα που σημαίνει ότι οι δονήσεις είναι μετατρέπονται σε θερμότητα και θερμικές διακυμάνσεις – σε χαμηλές θερμοκρασίες που σχεδιάζονται για τους ανιχνευτές της επόμενης γενιάς, όπως του Τηλεσκόπιο Einstein.

Ο Martin και οι συνεργάτες του προτείνουν αντικατάσταση της σιλικόνης με το χαμηλότερου δείκτη υλικό που ονομάζεται διοξείδιο χαφνίου (HfO2). Σε δοκιμές, η ομάδα τοποθέτησε λεπτά φιλμ χαφνίου (ενισχυμένο με πυρίτιο) σε έναν πρόβολο και μέτρησε τη μηχανική απώλεια του υλικού να είναι κατά ένα παράγοντα 2 χαμηλότερη από ότι η καθαρή σιλικόνη. Υπολόγισαν επίσης την αναμενόμενη απόδοση ενός σχεδιασμού επικάλυψης που συνίσταται κυρίως από διοξείδιο του χαφνίου και άμορφου πυριτίου (αντικαταστάτη του πεντοξείδιου του τανταλίου). Οι ερευνητές βρήκαν ότι το μοντέλο αυτό επικάλυψης θα είναι 100 φορές μικρότερου θορύβου από ότι οι σημερινές επικαλύψεις των LIGO για τα χαμηλής συχνότητας (10-Hz) βαρυτικά κύματα, η ανίχνευση των οποίων είναι ένας από τους σχεδιαστικούς στόχους για το τηλεσκόπιο Einstein.