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12/27
2024
微波等离子体辅助共溅射技术在引力波探测中的应用
随着科技的进步,引力波探测器(如LIGO和Virgo)已经成为探索宇宙奥秘的重要工具。然而,为了进一步提高这些探测器的灵敏度,科学家们一直在寻找更高效的光学镜面涂层材料。最近的研究表明,通过微波等离子体辅助共溅射(Microwave Plasma Assisted Co-sputtering, MPACS)技术沉积的氧化钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)混合物涂层,能够在降低机械损失的同时保持高折射率,为引力波探测提供了新的可能。
引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种时空波动现象。自从2015年首次直接观测到引力波以来,这种“时空涟漪”成为了天文学家研究黑洞、中子星等极端天体行为的关键手段。引力波探测器不仅加深了我们对宇宙的理解,还开启了多信使天文学的新时代,使得不同类型的天文信号可以相互印证,从而获得更加全面的宇宙图景。
引力波探测器的核心组件之一是高度敏感的光学干涉仪,其测试镜由高纯度的二氧化硅基板和高反射率涂层构成。传统的高反射率涂层材料,如Ta2O5,虽然具有较高的折射率,但同时也是主要的热噪声来源,这限制了探测器的整体性能。因此,开发低机械损失且能保持或增加高折射率的新型涂层材料成为了提升引力波探测器灵敏度的关键。
研究人员首先选择了两个靶材——钽(Ta)和硅(Si),分别安装在腔室的左右两侧,并同时进行溅射以产生Ta2O5和SiO2的混合物。通过调整钽靶的溅射功率来改变混合物中的成分比例,而硅靶则保持恒定的电压控制。为了确保沉积层厚度的一致性和准确性,研究团队使用了石英晶体监控沉积速率,并且在沉积之前对每个靶材进行了单独校准。由于样品是在一个水平旋转的鼓上进行多趟次沉积,因此单个层的厚度可以达到埃级别的精度。
实验结果显示,通过微波等离子体辅助共溅射技术制备的钽氧化物和二氧化硅混合物(Ta2O5)1-x(SiO2)x薄膜,在保持较高折射率的同时显著降低了机械损失角。随着SiO2比例的增加,混合物的折射率逐渐降低,但吸收损耗也相应减少;特别是在含有约57.2% SiO2的混合物中,未经过退火处理的样品达到了5.7±0.9 ×10-4的低机械损失角,优于纯Ta2O5涂层,并接近现有高性能材料的水平。这表明该技术不仅提高了沉积精度、速率及一致性,还为引力波探测器及其他精密光学应用提供了具有更低机械损失和优化光学性能的新材料选择。
这项研究不仅展示了嘉森MPACS技术在制造高效光学涂层方面的巨大潜力,也为引力波探测器的升级提供了坚实的基础。随着更多创新材料和技术的应用,相信未来的引力波探测将会揭示更多关于宇宙的秘密,带领我们进入一个全新的科学发现纪元。