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 progressé 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 dans les 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 n'obtenaient pas la combinaison nécessaire de faible réflectance et d'absorption élevée. D'autres solutions ont également eu tendance à être difficiles à installer ou difficiles à produire en masse.

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 à base d'un matériau combinant des particules de carbone et du plastique.

Réduire la réflexion

Bien que le composite plastique présentait une absorption élevée dans la région des micro-ondes souhaitée du spectre électromagnétique, la surface réfléchissait une quantité importante de rayonnement avant qu'il ne puisse pénétrer à l'intérieur du matériau à absorber. Pour réduire la réflexion, les chercheurs ont ajouté un revêtement antireflet qui a été conçu à l'aide de moulage par injection.

"La surface à faible réflectance combinée à un matériau en vrac à haute absorption a permis aux tuiles absorbantes en métamatériau d'offrir une excellente suppression des signaux indésirables à des températures cryogéniques proches du zéro absolu, " dit Xu.

Après s'être assuré que les tuiles faites du nouveau métamatériau pourraient mécaniquement survivre aux cycles thermiques des températures ambiantes aux températures cryogéniques, les chercheurs ont vérifié qu'ils pouvaient être refroidis efficacement à -272°C (-458°F) et ont ensuite mesuré leurs performances optiques. "Nous avons développé un banc d'essai sur mesure pour mesurer les performances des dalles avec une haute fidélité, " dit Grace Chesmore, un étudiant diplômé de 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'un métamatériau et de la fabrication de moulage par injection ouvre de nombreuses possibilités pour la conception d'instruments scientifiques d'instruments à ondes millimétriques. "