Cryogenic Mechanical Loss of GaAs/AlGaAs Crystalline Coatings

In de zoektocht naar het horen van de zwakste fluisteringen van het universum, bouwen wetenschappers instrumenten met een dergelijke extreme gevoeligheid dat ze rimpelingen in de ruimtetijd kunnen detecteren, veroorzaakt door botsende zwarte gaten miljarden lichtjaren ver weg. Deze machines, bekend als detectoren van zwaartekrachtgolven, vertrouwen op spiegels die laserstralen over enorme afstanden heen en weer laten weerkaatsen. Echter, zelfs de meest perfecte spiegel is niet werkelijk stilstaand. Op atomair niveau zorgt de warmte van de kamer ervoor dat de atomen in het oppervlak van de spiegel willekeurig trillen. Dit microscopische geschud creëert een achtergrondruis, of thermische ruis, die de kosmische signalen die de detectoren proberen te vangen, kan overstemmen. Om dieper in het kosmos te kunnen kijken, moeten wetenschappers manieren vinden om dit atomaire geklets te verstommen. Een veelbelovende oplossing houdt in dat de standaard glasachtige coatings op deze spiegels worden vervangen door kristallen gemaakt van galliumarsenide en aluminiumgalliumarsenide. Deze kristallijne structuren staan erom bekend veel stiller te zijn dan hun amorfe tegenhangers, maar om er zeker van te zijn dat ze werken in de ijzige kou van de ruimte of gespecialiseerde laboratoriumomstandigheden, moesten onderzoekers precies meten hoeveel ze nog steeds trillen wanneer ze worden afgekoeld.

Een team van natuurkundigen van de Syracuse University, Cardiff University en andere instellingen heeft onlangs een cruciale stap gezet richting het beantwoorden van deze vraag. Zij voerden de eerste directe meting uit van het mechanisch verlies, of de interne wrijving, in deze geavanceerde kristallijne coatings bij cryogene temperaturen. De onderzoekers gebruikten een gespecialiseerde opstelling genaamd het Cryo-GeNS-systeem, waarmee een delicate schijf vrij kan hangen in een vacuümkamer terwijl deze wordt afgekoeld tot slechts 12 Kelvin, of ongeveer min 261 graden Celsius. In deze kamer lieten het team een siliciumschijf zweven die bekleed was met het galliumarsenide-materiaal en brachten zij deze in trilling. Door te luisteren naar hoe lang de trillingen duurden voordat ze wegstierf, konden zij berekenen hoeveel energie het materiaal verloor aan interne wrijving. Deze meting is essentieel omdat hoe minder energie een materiaal verliest, hoe minder thermische ruis het genereert, en hoe gevoeliger de detector voor zwaartekrachtgolven wordt.

Het experiment was niet zonder uitdagingen. De siliciumschijf die voor de test werd gebruikt, had een lichte asymmetrie die ervoor zorgde dat deze tegen zijn steunpunt schuurde, wat extra wrijving veroorzaakte die de werkelijke eigenschappen van de coating had kunnen maskeren. De onderzoekers besteedden aanzienlijke inspanning aan het modelleren van deze contactwrijving en selecteerden zorgvuldig alleen de trillingsmodi die niet werden beïfloed door dit schuren, om ervoor te zorgen dat hun gegevens zuiver waren. Zodra zij deze externe verstoringen eruit filterden, analyseerden zij het resterende energieverlies. Zij ontdekten dat bij temperaturen tussen 8 en 25 Kelvin de dominante bron van energieverlies de interne wrijving van de coating zelf was. Bij hogere temperaturen namen andere fysieke processen het over, waardoor het moeilijk werd om het specifieke gedrag van de coating te isoleren, maar de gegevens bij lage temperatuur boden een helder venster naar de prestaties ervan.

De resultaten waren bemoedigend. Het team mat het mechanisch verlies van de galliumarsenide-coating tussen de 2,5 miljoensten en 33 miljoensten, afhankelijk van de specifieke trillingsfrequentie. Deze waarden komen goed overeen met eerdere indirecte schattingen afgeleid van optische experimenten en zijn vergelijkbaar met, of zelfs lager dan, het verlies dat bij kamertemperatuur wordt waargenomen. Dit suggereert dat het materiaal zijn superieure stilte behoudt, zelfs wanneer het bevroren is. Om dit in perspectief te plaatsen: als deze coatings zouden worden gebruikt in de voorgestelde Einstein Telescope, een volgende generatie zwaartekrachtgolfdetector die ontworpen is om te werken bij 10 Kelvin, zou de thermische ruis van de spiegels kunnen worden verminderd met een factor twee tot vijf vergeleken met huidige ontwerpen. Deze reductie zou het vermogen van de telescoop aanzienlijk verbeteren om zwakke kosmische gebeurtenissen te detecteren.

De studie verhelderde ook wat er gebeurt met het siliciumsubstraat dat de coating vasthoudt. De onderzoekers bevestigden dat het silicium zelf bij zeer lage temperaturen ongelooflijk stil wordt, waarbij de interne wrijving daalt tot niveaus die consistent zijn met andere studies die aantonen dat monsters van deze specifieke geometrie door oppervlakteverlies worden beperkt. Door de ruis van het silicium te scheiden van de ruis van de coating, kon het team met vertrouwen de lage verlieswaarden toeschrijven aan de kristallijne structuur van de galliumarsenide-lagen. Dit werk bevestigt dat de strategie om kristallijne coatings te gebruiken levensvatbaar is voor toekomstige detectoren die in de diepe kou zullen werken, wat een pad biedt om de geheimen van het universum te ontsluiten met ongekende helderheid. De onderzoekers werken nu aan het upgraden van hun apparatuur om deze materialen met nog grotere precisie te meten over een breder bereik van temperaturen, om ervoor te zorgen dat de volgende generatie kosmische luisteraars de stilste spiegels zal hebben die de mensheid ooit heeft gebouwd.