Группа исследователей разработала новые метаматериальные плитки, которые помогут повысить чувствительность телескопов. Они будут развернуты в обсерватории Саймонса в Чили к 2022 году. Обсерватория Саймонса — это центр, который занимается изучением изменений космического микроволнового фона, электромагнитного излучения, оставшегося от ранней стадии Вселенной. Эти измерения помогут лучше понять, как возникла Вселенная, из чего она состоит и как она эволюционировала в то, чем является сегодня.

Телескопы обсерватории Саймонса будут использовать новую сверхчувствительную миллиметровую камеру для измерения послесвечения большого взрыва. Мы разработали новую недорогую плитку, которая будет использоваться в камере для поглощения выбросов окружающей среды, которые могут искажать измеряемые сигналы, – Чжилэй Сюй, ведущий автор работы и сотрудник Пенсильванского университета.

Исследователи показали, что разработанные ими микроволновые плитки из метаматериалов поглощают более 99% излучения миллиметровых волн и сохраняют свои свойства при чрезвычайно низких температурах. Плитки могут быть изготовлены методом литья под давлением. Также материалы, из которых их делают, недорогие и экономически доступные.

Наземные миллиметровые телескопы используют приемники, они охлаждаются до криогенных температур, чтобы уменьшить шум и повысить чувствительность. Технология приемника продвинулась настолько, что любое количество рассеянного света может ухудшить изображение и, одновременно, снизить чувствительность детектора.

Однако разработка материала, способного подавлять рассеянный свет при работе при таких экстремально низких температурах, является довольно сложной задачей. Предыдущие попытки привели к тому, что материалы либо не могли эффективно охлаждаться до криогенных температур, либо не достигали необходимого сочетания низкого коэффициента отражения и высокого поглощения.

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи обратились к метаматериалам, так как их можно сконструировать таким образом, чтобы получить свойства, не встречающиеся в природе. После сложных электромагнитных имитационных исследований ученые разработали метаматериалы на основе материала, сочетающего частицы углерода и пластика.

Убедившись, что плитки из нового метаматериала могут выдерживать тепловые циклы от комнатной температуры до криогенной, исследователи проверили, как они будут охлаждаться до –272 °C, а затем измерили их оптические характеристики. Испытания показали, что метаматериал обладает превосходными свойствами отражения при низком рассеянии и поглощает почти все поступающие фотоны.