La alúmina, un material compuesto por aluminio y oxígeno y que ocupa el segundo lugar en dureza después del diamante, se ha utilizado para fabricar un nuevo tipo de elemento óptico que mejorará el rendimiento de los telescopios que estudian la radiación del Big Bang.
En un artículo publicado en la revista Optics Express, investigadores del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo y la Universidad de Minnesota explica que el fondo cósmico de microondas (CMB) es un remanente de radiación reliquia del Big Bang. Llega a los telescopios después de viajar 000 mil millones de años desde el nacimiento del universo. Estudiando las propiedades de esta radiación, los científicos infieren la física del Big Bang, cómo se forman los cúmulos de galaxias y el contenido de materia y energía en el universo.
Para estudiar el CMB, los telescopios deben ajustarse a las longitudes de onda en las que este fondo cósmico de microondas es más intenso, alrededor de 1-3 mm, y deben separar la radiación de longitud de onda más corta que emiten la atmósfera y la Vía Láctea. Entre los elementos ópticos más efectivos que absorben la radiación de longitud de onda corta pero dejan pasar la CMB se encuentra la alúmina. Pero un desafío de usar alúmina es que también refleja casi 30% de la radiación que incide sobre ella.
Sin embargo, los coautores del artículo, Tomotake Matsumura y Shaul Hanany, idearon una nueva forma de fabricar estructuras antirreflectantes que reducen los reflejos cincuenta veces.
Un diagrama esquemático que muestra cómo los investigadores pueden estudiar la radiación del universo primitivo utilizando un filtro reflectante infrarrojo con una estructura de ojo de polilla creado por un proceso de láser pulsado. (Gráfico de NASA, ESA, M. Postman (STScI) y CLASH Team / NRAO, AUI, NSF / modificado por Kavli IPMU).
41745 Los investigadores modelaron la alúmina utilizada en los elementos ópticos con pequeñas estructuras piramidales, que miden aproximadamente un milímetro de altura y se repiten a lo largo de un 30-centímetro de diámetro con una periodicidad de poco menos de un milímetro.
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Se sabe desde hace tiempo que la incorporación de tales estructuras en las superficies de los materiales reduce los reflejos. Con las pirámides pequeñas, la luz entra y sale del material de forma más gradual, lo que lleva a una reflexión mucho menor.
La innovación de Matsumura y Hanany está en la forma en que modelaron la alúmina, que es demasiado difícil de mecanizar con herramientas estándar. Utilizaron un láser de pulso ultracorto, con pulsos de una billonésima de segundo de largo y alcanzando 30 megavatios cada uno, para extirpar el material lejos y para dar forma al relieve de la superficie a su forma antirreflectante óptima.
En unos cuatro días, el proceso láser produjo 300, 000 pirámides en ambos lados del disco de alúmina. Los investigadores midieron las propiedades de la muestra de alúmina y demostraron que refleja menos del 1% de la radiación incidente. Esta es la primera vez que un elemento óptico de este tipo ha sido fabricado y acoplado a un instrumento operativo, y es la muestra más grande de alúmina que ha sido ablacionada con láser.
En detalle, las nuevas estructuras antirreflectantes se aplicaron a un absorbente de longitud de onda corta de alúmina y se entregaron a los científicos de la Universidad de Pensilvania que operan el MUSTANG2, un dispositivo que mide la potencia de la radiación electromagnética incidente y que ahora realiza observaciones del cielo con el nueva tecnología, demostrando su éxito.
“Esta innovación dará lugar a instrumentos más eficientes que miren hacia atrás en el tiempo y revelen el proceso físico en el Big Bang y a lo largo de la evolución del universo”, dijo la pareja detrás del desarrollo en un comunicado de prensa.
