超材料瓷砖的工作温度范围广且可支持高灵敏度的测量

  2021年1月29日，哥伦比亚特区华盛顿—智利西蒙斯天文台正在准备使用超材料瓷砖来提高望远镜的灵敏度。一个多机构组成的研究小组制作了这些瓷砖，这些瓷砖已经应用到了这个天文台科学家明年将部署的望远镜接收器中。该研究论文的主要作者徐志磊说，天文台的工作旨在使用具有超级灵敏度的毫米波相机，用以前无法实现的灵敏度捕捉大爆炸余辉的测量结果。更广泛地说，西蒙斯天文台是测量宇宙微波辐射（自宇宙早期阶段以来存在的电磁辐射）的地点，以增进对宇宙起源和演化的理解。

  在测试中，超材料微波瓷砖吸收了99%以上的毫米波辐射，同时毫米波摄像机在极低温度下运行时保持其吸收特性。该团队使用超材料，因为能够设计超材料从而达到非常独特的性质，而这些特性在自然界中并不存在。如果能够开发一种能够在极低温度下工作时抑制杂散光的材料，就可以克服以前科研尝试的结果，这些尝试涉及的材料要么不能有效地冷却到低温，要么没有实现低反射和高吸收的必要组合。其它潜在的解决方案难以大规模安装或生产。

  在先进的低温设备中对新的超材料瓷砖进行的热测试表明，它们可以有效地冷却到所需的低温温度。由OSA提供，通过Penn Today的Eric Sucar提供。

  来自宾夕法尼亚大学的徐说，在实际应用中，这些瓷砖吸收了环境排放物质，这些排放物可能会掩盖天文台科学家试图测量的信号。地面毫米波望远镜使用冷却的接收器来达到低温以降低噪音并提高灵敏度。这些高度敏感接收机可能会受到任何杂散光的负面影响，这既影响探测器本身的性能，也影响探测器捕获的图像的质量。确保接收器内部具有抑制杂散光的能力可直接提高其对非常微弱信号的灵敏度，同时间接提高科学家使用成像技术收集的测量精度。

  经过复杂的电磁模拟研究，研究人员选择了基于碳颗粒和塑料材料相结合的超材料。徐说，团队使用商业化的注塑磨具来组装瓷砖。这使得它们可以大量生产、易于安装以及节省成本。塑料复合材料在电磁波谱所需的微波区域表现出高吸收，尽管瓷砖表面在进入要吸收的材料之前反射了大量辐射。添加一种抗反射涂层便可以减少反射，研究人员使用注塑磨具添加了这个涂层。徐说，"低反射表面与高吸收本体材料相结合使超材料吸收剂瓷砖在接近绝对零的低温下能够对不需要的信号进行出色的抑制。"

  研究人员开发出新的超材料瓷砖，通过吸收杂散光，提高西蒙斯天文台望远镜的灵敏度。左上角照片显示一个瓷片，其抗反射表面显示在插图中。左下角照片显示瓷砖背面，右图显示安装在光学管道墙壁上的 240 块瓷砖的组件。OSA通过宾夕法尼亚大学徐志磊供图。

  这些瓷砖成功地保持了其通过热循环（从室温到低温）的能力，因为研究人员在冷却至458°F （−272 °C）时显示了其有效性，然后测量了其光学性能。要测量瓷砖的性能就必须建立一个特殊定制的测试设备。通过测试表明了超材料能够表现出优异的反射性能和低散射率（吸收了几乎所有传入的光子）。徐说，"随着毫米波望远镜探测器灵敏度的不断提高，控制散射光子就变得至关重要，超材料与注塑磨具制作的成功结合为毫米波科学仪器的设计提供了徐多可能性。”

这项研究成果发表在《Applied Optics》上。(www.doi.org/10.1364/AO.411711).