Cryogenic Mechanical Loss of GaAs/AlGaAs Crystalline Coatings

في السعي لسماع أخفت همسات الكون، يبني العلماء أدوات ذات حساسية فائقة لدرجة أنها تستطيع رصد التموجات في الزمكان الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء على بُعد مليارات السنين الضوئية. هذه الآلات، المعروفة باسم كواشف موجات الجاذبية، تعتمد على مرايا تعكس حزم الليزر ذهابًا وإيابًا عبر مسافات شاسعة. ومع ذلك، لا توجد مرآة مثالية تمامًا في حالة سكون تام؛ ففي المستوى الذري، تتسبب حرارة الغرفة في جعل الذرات في سطح المرآة تهتز بشكل عشوائي. هذا الارتجاف المجهري يخلق ضجيجًا خلفيًا، أو ضوضاء حرارية، يمكن أن يطغى على الإشارات الكونية التي تحاول الكواشف التقاطها. ولرؤية أعماق الكون بشكل أوضح، يجب على العلماء إيجاد طرق لإسكات هذا الثرثرة الذرية. ويتضمن أحد الحلول الواعدة استبدال الطلاءات الزجاجية القياسية على هذه المرايا ببلورات مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد الألومنيوم الغاليوم، حيث تُعرف هذه الهياكل البلورية بأنها أكثر هدوءًا بكثير من نظيراتها غير المتبلورة (الأمورفية)، ولكن للتأكد من فعاليتها في البرودة الشديدة للفضاء أو في ظروف المختبرات المتخصصة، احتاج الباحثون إلى قياس مدى اهتزازها بدقة عند تبريدها.

قام فريق من الفيزيائيين من جامعة سيراكيوز، وجامعة كارديف، ومؤسسات أخرى، باتخاذ خطوة حاسمة مؤخرًا نحو الإجابة على هذا السؤال. فقد أجروا أول قياس مباشر للفقد الميكانيكي، أو الاحتكاك الداخلي، في هذه الطلاءات البلورية المتقدمة عند درجات حرارة شديدة البرودة (كريوجينية). استخدم الباحثون نظامًا متخصصًا يُسمى "Cryo-GeNS"، والذي يسمح لقرص دقيق بالتدلي بحرية داخل غرفة مفرغة من الهواء أثناء تبريده إلى 12 كلفن فقط، أي حوالي 261 درجة مئوية تحت الصفر. وداخل هذه الغرفة، قام الفريق بتعليق قرص من السيليكون مطلي بمادة زرنيخيد الغاليوم وجعله يهتز. ومن خلال الاستماع إلى المدة التي تستغرقها الاهتزازات قبل أن تتلاشى، تمكنوا من حساب مقدار الطاقة التي تفقدها المادة بسبب الاحتكاك الداخلي. ويعد هذا القياس حيويًا لأن المادة التي تفقد طاقة أقل، تولد ضوضاء حرارية أقل، مما يجعل كاشف موجات الجاذبية أكثر حساسية.

لم تكن التجربة خالية من التحديات؛ فقد كان للقرص السيليكوني المستخدم في الاختبار عدم تماثل طفيف تسبب في احتكاكه بنقطة دعمه، مما خلق احتكاكًا إضافيًا كان من الممكن أن يحجب الخصائص الحقيقية للطلاء. بذل الباحثون جهدًا كبيرًا في نمذجة احتكاك التلامس هذا واختيار أنماط الاهتزاز التي لا تتأثر بهذا الاحتكاك بعناية لضمان نظافة بياناتهم. وبمجرد تصفية هذه الاضطرابات الخارجية، قاموا بتحليل بقية فقد الطاقة. ووجدوا أنه في درجات حرارة تتراوح بين 8 و25 كلفن، كان المصدر المهيمن لفقد الطاقة هو الاحتكاك الداخلي للطلاء نفسه. أما عند درجات الحرارة الأعلى، فقد سيطرت عمليات فيزيائية أخرى، مما جعل من الصعب عزل سلوك الطلاء بشكل محدد، لكن البيانات المسجلة عند درجات الحرارة المنخفضة قدمت نافذة واضحة على أدائه.

كانت النتائج مشجعة؛ فقد قاس الفريق الفقد الميكانيكي لطلاء زرنيخيد الغاليوم ليكون بين 2.5 جزء من المليون و33 جزءًا من المليون، اعتمادًا على تردد الاهتزاز المحدد. وتتوافق هذه القيم جيدًا مع التقديرات غير المباشرة السابقة المستمدة من التجارب البصرية، وهي مقاربة لما لوحظ في درجة حرارة الغرفة أو حتى أقل منه. وهذا يشير إلى أن المادة تحتفظ بهدوئها الفائق حتى عندما يتم تجميدها. ولو وضعنا ذلك في الاعتبار، فإنه في حال استخدام هذه الطلاءات في "تلسكوب أينشتاين" المقترح، وهو جيل جديد من كواشف موجات الجاذبية المصمم للعمل عند 10 كلفن، يمكن تقليل الضوضاء الحرارية للمرايا بمعامل يتراوح بين اثنين إلى خمسة أضعاف مقارنة بالتصاميم الحالية. وهذا التقليل من شأنه أن يحسن بشكل كبير قدرة التلسكوب على اكتشاف الأحداث الكونية الخافتة.

كما أوضحت الدراسة ما يحدث لركيزة السيليكون التي تحمل الطلاء؛ حيث أكد الباحثون أنه عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يصبح السيليكون نفسه هادئًا للغاية، حيث ينخفض احتكاكه الداخلي إلى مستويات تتفق مع الدراسات الأخرى التي تظهر أن عينات هذا الشكل الهندسي المحدد محدودة بفقد السطح. ومن خلال فصل ضوضاء السيليكون عن ضوضاء الطلاء، تمكن الفريق بثقة من عزو قيم الفقد المنخفضة إلى البنية البلورية لطبقات زرنيخيد الغاليوم. ويؤكد هذا العمل أن استراتيجية استخدام الطلاءات البلورية هي استراتيجية قابلة للتطبيق للكواشف المستقبلية التي ستعمل في البرودة العميقة، مما يوفر مسارًا لفتح أسرار الكون بوضوح غير مسبوق. ويعمل الباحثون الآن على تطوير معداتهم لقياس هذه المواد بدقة أكبر عبر نطاق أوسع من درجات الحرارة، لضمان أن يكون الجيل القادم من المستمعين الكونيين يمتلك أهدأ مرايا صنعها البشر على الإطلاق.