Material artificial aumenta sensibilidade de grandes telescópios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/02/2021

Diagrama esquemático das antenas individuais (em forma de pirâmide) do metamaterial absorvedor de luz. Depois de montados (embaixo) eles absorvem tanta luz que mal dá para ver sua estrutura.
[Imagem: Zhilei Xu et al. - 10.1364/AO.411711]

Material artificial

Como era previsto, os metamateriais e metassuperfícies chegaram de vez ao mundo dos telescópios.

Pesquisadores desenvolveram blocos de metamateriais que ajudarão a melhorar a sensibilidade dos telescópios que estão sendo construídos no Observatório Simons, no Chile. Esses "ladrilhos ópticos" estão sendo incorporados aos receptores que serão implantados no observatório em 2022.

O Observatório Simons é o centro de um esforço ambicioso para medir a radiação eletromagnética de fundo em micro-ondas, o rastro cósmico que sobrou de um estágio inicial do Universo.

Os telescópios terrestres que capturam a frequência de micro-ondas - ondas milimétricas - usam receptores resfriados a temperaturas criogênicas para reduzir o ruído e, assim, aumentar a sensibilidade. A tecnologia dos receptores avançou até o ponto em que qualquer quantidade de luz dispersa pode degradar a imagem e, ao mesmo tempo, diminuir a sensibilidade do detector.

O caminho para melhorias consiste em suprimir cada vez mais a luz difusa dentro dos receptores, mas desenvolver um material que consiga suprimir a luz difusa durante a operação em temperaturas extremamente baixas era um desafio não vencido até agora.

A foto superior esquerda mostra um ladrilho de metamaterial, com sua superfície antirreflexiva mostrada no detalhe. As fotos do canto inferior esquerdo mostram o verso do ladrilho, e a foto da direita mostra 240 ladrilhos instalados na parede do tubo óptico do telescópio.
[Imagem: Zhilei Xu/University of Pennsylvania]

Metamaterial para capturar luz

Para superar esse desafio, os pesquisadores se voltaram para os metamateriais porque eles podem ser projetados para atingir propriedades específicas que não ocorrem na natureza - um metamaterial é um material artificial cujas propriedades são determinadas não pela sua composição química, mas pela sua estrutura física.

Após estudos complexos de simulação eletromagnética, os pesquisadores projetaram metamateriais com base em um material que combina partículas de carbono e plástico. São essas partículas que funcionam como "antenas" para a luz.

"A superfície de baixa refletância, combinada com o material de alta absorção, permitiu que os ladrilhos absorventes do metamaterial alcançassem uma excelente supressão de sinais indesejados em temperaturas criogênicas, próximas do zero absoluto", contou o pesquisador Zhilei Xu.

Os testes mostraram que o metamaterial apresenta excelentes propriedades de refletância e baixo espalhamento, absorvendo quase todos os fótons que o atingem. Os resultados foram tão bons que os ladrilhos já estão sendo incorporados nos equipamentos do telescópio.

"Conforme a sensibilidade dos detectores continua a melhorar para os telescópios de ondas milimétricas, torna-se crucial controlar os fótons dispersos," disse Xu. "A combinação bem-sucedida do metamaterial e da fabricação de moldagem por injeção abre muitas possibilidades para o projeto de instrumentos científicos de instrumentos de ondas milimétricas."

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