Физики разработали малошумное зеркало для гипотетического телескопа Эйнштейна
Физики из США и Великобритании разработали покрытие для зеркала будущего телескопа Эйнштейна — гипотетического детектора гравитационных волн, чувствительность которого в сто раз превышает чувствительность LIGO/Virgo. В качестве покрытия ученые предлагают использовать чередующиеся слои аморфного кремнезема и оксида гафния, допированного кремнеземом. По оценкам ученых, такое покрытие повысит чувствительность телескопа в три раза по сравнению с обычным покрытием и в 25 раз по сравнению с LIGO/Virgo. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
В основе гравитационных обсерваторий LIGO/Virgo лежит видоизмененный интерферометр Майкельсона — установка, в которой когерентные лучи света бегают по четырехкилометровым плечам, отражаются от зеркал, а потом интерферируют друг с другом. Если сквозь интерферометр проходит гравитационная волна, зеркала едва заметно смещаются, длина плеч интерферометра изменяется, а интерференционная картина «плывет». Смещение зеркал из-за гравитационных волн так мало, что его очень сложно заметить на фоне тепловых колебаний. Тем не менее, такое разделение можно провести, если совместить данные с нескольких установок: на каждом интерферометре тепловой шум разный, а сигнал от гравитационной волны одинаковый. Благодаря этой хитрости гравитационные интерферометры могут почувствовать удлинение плеча с точностью до 10−16 сантиметра — в тысячу раз меньше радиуса протона.
Важной частью гравитационного интерферометра являются зеркала, которые стоят на концах его плечей. С одной стороны, чтобы снизить амплитуду тепловых колебаний, зеркало должно выдерживать низкие температуры (порядка десяти кельвинов). С другой стороны, зеркало должно очень плохо поглощать падающее излучение — в противном случае оно будет нагреваться и деформироваться. Чтобы добиться обоих эффектов, ученые покрывают зеркала тонкими чередующимися пленками с низким и высоким коэффициентом преломления. Это заставляет падающий свет интерферировать и терять меньше энергии.
В частности, зеркала интерферометров LIGO покрыты слоями кремнезема (SiO2) и допированного оксида тантала (Ta2O5) и охлаждены до температуры чуть больше 120 кельвинов. Это позволило довести отношение поглощенной и отраженной энергии до пяти частей на миллион. К сожалению, у этих материалов есть слабое место: при более низких температурах механические потери в этих материалах быстро растут, и одновременно с ними растет амплитуда тепловых колебаний зеркала (хотя температура зеркала уменьшается!). Текущему поколению детекторов этот рост не мешает, однако в будущем он будет ограничивать предельную точность детектирования. В частности, для планируемой установки «Телескоп Эйнштейна», чувствительность которой в 100 раз превысит точность LIGO/Virgo, эти материалы уже не подходят.
Поэтому группа физиков под руководством Иэна Мартина (Iain Martin) предложила заменить плавленый кремнезем и оксид тантала на оксид гафния (HfO2) и аморфный кремний (a-SiO2) соответственно. Если точнее, ученые использовали допированный кремнием (27 процентов) оксид гафния, который 24 часа отжигали при температуре 400 градусов Цельсия. Это позволило исследователям стабилизировать материал, снизить его напряжение и поглощающую способность. Ученые отмечают, что при такой обработке поглощающая способность аморфного кремния также падает до минимального значения.
Чтобы оценить эффективность замены, физики измерили механические потери и поглощающую способность допированного оксида гафния, а затем теоретически рассчитали чувствительность телескопа Эйнштейна с предложенным покрытием зеркал. Оказалось, что при температуре 10 кельвин и частоте около 10 герц спектральная плотность амплитуды тепловых колебаний зеркала (coating thermal noise) находится на уровне 2,4×10−21 метров на корень герца. Это в три раза меньше, чем амплитуда тепловых колебаний зеркал телескопа Эйнштейна с обычным покрытием, и в 25 раз меньше, чем амплитуда колебаний зеркал LIGO. В то же время, поглощающая способность нового покрытия находится на прежнем уровне (около пяти частей на миллион). Ученые подчеркивают, что покрытие с такими характеристиками идеально подходит для телескопа Эйнштейна, для которого требуется спектральная плотность амплитуды тепловых колебаний не более 3,6×10−21 метров на корень герца.
После последней модификации гравитационные детекторы LIGO/Virgo стали регистрировать гравитационные волны так часто, что ученые всерьез заговорили о новой эре исследований космоса — эре гравитационно-волновой астрономии. По оценкам теоретиков, с помощью гравитационно-волновых телескопов можно будет искать первичные черные дыры и экзотические компактные объекты, а также уточнить постоянную Хаббла и уравнение состояния вещества нейтронной звезды. Более подробно про перспективы гравитационной астрономии можно прочитать в материалах «За волной волна» и «Ботаники в неведомой стране».
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.
