Новая работа является частью межведомственного сотрудничества, финансируемого Программой технологических исследований Европейского космического агентства (ЕКА) для разработки технологий, необходимых для будущих экспериментов, таких как предлагаемая программа спутниковой миссии Cosmic Origins Explorer. Эта космическая миссия направлена на получение высокоточных карт всего неба космического микроволнового фона — реликтового излучения, сохранившегося после Большого взрыва.Космический микроволновый фон был предметом интенсивных исследований с момента его открытия около 50 лет назад.
В последние годы наблюдается повышенное внимание к поляризованным компонентам этого микроволнового фона, в частности к компоненту, называемому B-режимом, который, как считается, содержит ключ к информации о первичных гравитационных волнах и физических процессах, которые произошли очень рано в истории. Вселенной.В журнале Applied Optics The Optical Society (OSA) исследователи продемонстрировали новый тип поляризационного модулятора на основе магнитного зеркала.
Новое устройство может решить главную проблему обнаружения поляризации B-моды — способность модулировать микроволновую поляризацию в широком диапазоне частот. Широкополосный режим необходим, чтобы спектрально отличить чрезвычайно слабую поляризацию B-моды от излучения переднего плана других астрофизических источников.«Мы, как и другие, более двух десятилетий работали над разработкой технологий, которые позволили бы обнаруживать поляризацию B-режима», — сказал Джампаоло Пизано из Кардиффского университета, Великобритания, первый автор статьи. «Это оказалось сложной проблемой, потому что только крошечная часть общего сигнала демонстрирует эту поляризацию».
Развитие технологииКлючевым компонентом для обнаружения излучения B-моды является полуволновая пластинка, устройство, используемое для модуляции поляризации электромагнитного излучения.
Вращение полуволновой пластины заставляет поляризацию излучения также вращаться, создавая колебательный узор, который можно отличить от постоянного сигнала неполяризованного излучения.Предыдущие реализации этих полуволновых пластин привели к созданию узкополосных устройств из-за либо оптических свойств доступных материалов, либо используемой конструкции.
Работа в широком диапазоне длин волн имеет решающее значение для различения поляризации B-моды, происходящей из ранней Вселенной, от сигналов, исходящих из других источников.«Большая часть усилий по развитию технологий была направлена на создание оптических компонентов, которые работают с большей пропускной способностью», — сказал Пизано. «Устройство, которое покрывает широкий частотный диапазон, значительно улучшило бы характеристики сложной космической аппаратуры».
В своей новой работе Пизано и его коллеги опробовали совершенно новый подход, в котором используются метаматериалы — искусственные материалы, созданные с особенностями, отсутствующими в природных материалах, — для создания магнитного зеркала, которое они объединили с поляризационной проволочной сеткой.«Метаматериалы позволили нам изобрести материал с необходимыми нам характеристиками», — сказал Пизано. «Поскольку используемый нами подход является новым, он позволил нам преодолеть ограничения частотного диапазона, с которыми столкнулись другие исследователи».Их новый метод использует тот факт, что отражение от искусственной магнитной поверхности будет не в фазе от отражения от идеального электрического проводника или металла. Добавление проволочной сетки к магнитному зеркалу позволяет одной поляризации «видеть» металлическую сетку, в то время как ортогонально поляризованное излучение отражается от магнитного зеркала.
Полученное устройство может изменять поляризацию в большом диапазоне микроволновых частот.
Прототип устройства, продемонстрированный в статье, работает в диапазоне от 100 до 400 гигагерц с эффективностью более 90 процентов, что означает, что было потеряно менее 10 процентов сигнала. Исследователи говорят, что с некоторыми незначительными изменениями они ожидают получить еще большую пропускную способность и более высокую эффективность.Готовимся к космосуПрототип устройства размером 20 сантиметров представляет собой миниатюрную версию того, что в конечном итоге может понадобиться для спутника Cosmic Origins Explorer.
В настоящее время исследователи работают над разработкой полуметровой версии с конечной целью — разработать окончательное устройство диаметром более метра. Создание такого большого устройства с необходимой точностью потребует новых средств и новых методов обращения с устройством на различных этапах производства, разработки, которые, по словам исследователей, вероятно, будут такими же сложными, как разработка первоначальной концепции.
«Теперь, когда мы продемонстрировали концепцию, нам нужно провести квалификационные испытания в космосе, чтобы продемонстрировать ее надежность для запуска спутника», — сказал Пизано. «Нам также необходимо развернуть его в наземных приборах обнаружения B-режима, чтобы продемонстрировать его применимость в полевых условиях».