Le fond cosmique des micro-ondes, ou CMB, est l'écho électromagnétique du Big Bang, rayonnement qui a voyagé à travers l'espace et le temps depuis la naissance des tout premiers atomes 380, 000 ans après le début de notre univers. La cartographie des variations minuscules du CMB explique aux scientifiques comment notre univers est né et de quoi il est fait.

Pour capturer l'ancien, lumière froide du CMB, les chercheurs utilisent des télescopes spécialisés équipés de caméras ultrasensibles pour détecter des signaux de longueur d'onde millimétrique. Les caméras de nouvelle génération en contiendront jusqu'à 100, 000 détecteurs supraconducteurs. Le scientifique du Fermilab et professeur agrégé de l'Université de Chicago, Jeff McMahon, et son équipe ont développé un nouveau type de revêtement antireflet à base de métamatériaux pour les lentilles en silicium utilisées dans ces caméras.

« Il y a au moins une demi-douzaine de projets qui ne seraient pas possibles sans eux, " a déclaré McMahon.

Les métamatériaux sont des matériaux d'ingénierie avec des propriétés qui ne sont pas naturelles. La magie est dans la microstructure - minuscule, répéter des caractéristiques plus petites que la longueur d'onde de la lumière avec laquelle elles sont conçues pour interagir. Ces caractéristiques se plient, bloquer ou manipuler la lumière de manière non conventionnelle.

Généralement, les revêtements antireflet fonctionnent en réfléchissant la lumière de chaque côté du revêtement de telle sorte que les particules de lumière réfléchies interfèrent et s'annulent, éliminer la réflexion. Pour les métamatériaux de McMahon, le "revêtement" est un million de minuscules, coupes précises de chaque côté de chaque lentille en silicone. Près, les caractéristiques ressemblent à des pyramides à gradins - trois couches de piliers carrés empilés les uns sur les autres. L'espacement et l'épaisseur des piliers sont affinés pour créer le maximum d'interférences destructrices entre la lumière réfléchie.

"La lumière passe juste à travers avec un dixième de pour cent de chance de se refléter, " a déclaré McMahon.

Les lentilles en silicium monocristallin sont transparentes aux micro-ondes et ultrapures afin que la lumière passant à travers la lentille ne soit pas absorbée ou diffusée par des impuretés. Le silicium a les propriétés de courbure de la lumière nécessaires pour faire passer la lumière du télescope sur un large éventail de capteurs, et la structure métamatérielle s'occupe de la réflexion. Parce que chaque lentille est faite d'un seul cristal de silicium pur, ils peuvent résister à des températures cryogéniques (les détecteurs doivent fonctionner à 0,1 kelvin) sans risque de se fissurer ou de se décoller comme des lentilles avec des revêtements antireflet réalisés dans un matériau différent.

En tout, ces lentilles sont sans doute la meilleure technologie disponible pour les instruments CMB, dit McMahon.

"Ce n'est pas exactement que vous ne pourriez pas faire l'expérience autrement, " McMahon a dit, mais pour les performances et la durabilité exigées par les enquêtes CMB actuelles et de prochaine génération, ces lentilles sont à la pointe de la technologie et son équipe est la seule personne au monde à les fabriquer.

McMahon et son équipe ont commencé à développer la technologie il y a environ 10 ans lorsqu'ils ont commencé à travailler sur un nouveau type de réseau de détecteurs et ont réalisé qu'ils avaient besoin d'un meilleur, lentille moins réfléchissante pour aller avec. La partie difficile, il dit, cherchait comment le faire. Des techniques existaient pour réaliser des coupes au micromètre près dans des plaquettes de silicium plates, mais personne ne les avait jamais appliqués à une lentille auparavant. Le premier objectif qu'ils ont fabriqué, pour le télescope cosmologique d'Atacama, appelé ACT, a pris 12 semaines pour fabriquer en raison du grand nombre de coupes qui devaient être faites. Maintenant avec des machines et une automatisation améliorées au Fermilab, le processus ne prend que quatre jours par lentille, et McMahon espère qu'ils seront en mesure de le rationaliser encore plus.

Travaillant à l'Université du Michigan jusqu'en janvier 2020, L'équipe de McMahon a fabriqué environ 20 lentilles pour les expériences CMB actuelles, y compris ACTPol, ACTPol avancé, CLASSER, TolTEC et PIPER. Ils produisent désormais des lentilles pour l'Observatoire Simons, qui commencera à collecter des données l'année prochaine. De là, ils commenceront à fabriquer des lentilles supplémentaires pour CMB-S4 (Cosmic Microwave Background Stage 4), un projet de nouvelle génération dont Fermilab est membre. CMB-S4 devrait commencer à collecter des données en 2027 à l'aide de 21 télescopes dans des observatoires au Chili et au pôle Sud pour le relevé CMB le plus détaillé à ce jour.

"La seconde où nous finissons un objectif, c'est faire de la science, et c'est ce qui le rend amusant pour moi, " a déclaré McMahon. " Tous les trucs de métamatériaux sont cool, mais à la fin de la journée, je veux juste comprendre comment l'univers a commencé et ce qu'il contient."

McMahon compare CMB-S4 à l'ouverture d'un coffre au trésor rempli d'or et de bijoux. Lui et les autres chercheurs qui y contribuent ne savent pas exactement ce qu'ils trouveront dans les données, mais ils savent que ce sera précieux. Même s'ils ne trouvent pas d'ondes gravitationnelles primordiales - l'un des objectifs majeurs du projet - l'expérience fera tout de même la lumière sur des mystères cosmiques tels que l'énergie noire, matière noire et masses de neutrinos.

Ce que son équipe a réalisé avec sa technologie de lentilles, McMahon dit, est un témoignage de l'effet démesuré que de petits efforts peuvent avoir sur la grande science.

"L'effort est de commencer à comprendre le commencement de l'univers, " a-t-il dit. " Et la façon dont nous le faisons est de trouver comment usiner de petites fonctionnalités dans le silicium. "