Avanzamenti nella spettroscopia terahertz per studi sul CMB

La spettroscopia terahertz sta diventando una tecnica molto usata per studiare i materiali, specialmente nel contesto degli esperimenti sul fondo cosmico a microonde (CMB). Questo metodo è interessante perché può fornire una vasta gamma di informazioni sui materiali ed è facile da usare. Un'applicazione chiave è valutare come i materiali interagiscono con la luce, che è fondamentale per creare strumenti migliori per osservare il CMB.

#Importanza degli Assorbitori

Negli sistemi ottici, i riflessi e le diffrazioni indesiderate possono ridurre le prestazioni. Usando materiali speciali chiamati assorbitori in modo strategico in questi sistemi, possiamo minimizzare questi problemi. Gli assorbitori sono progettati per funzionare su diverse gamme di frequenze per adattarsi a vari strumenti che studiano il CMB. Tuttavia, non ci sono molti studi che esaminano come questi assorbitori funzionano su un'ampia gamma di frequenze e angoli.

#Setup di Test

Per questo studio, è stato costruito un setup di test per misurare quanto bene diversi materiali assorbono o riflettono le onde terahertz. Questo setup utilizza una macchina chiamata Terascan 1550, che genera onde terahertz. Il setup ci consente di misurare sia la luce che viene riflessa indietro sia quella che passa attraverso il materiale.

Il test ha due parti principali: un trasmettitore che emette onde terahertz e un ricevitore che raccoglie le onde che rimbalzano indietro. I materiali testati possono essere ruotati per cambiare l'angolo in cui le onde terahertz li colpiscono, consentendo una varietà di misurazioni.

#Struttura del Sistema di Test

Il sistema di test è stato assemblato su un tavolo robusto e include specchi parabolici e un supporto per i campioni. La distanza tra gli specchi e il campione è misurata con precisione per aiutare a prendere letture accurate. Possono essere fatte regolazioni per ruotare il campione e il ricevitore a diversi angoli. Questo setup consente misurazioni sia di riflessione che di trasmissione, anche se l'attenzione di questo rapporto è principalmente sulle riflessioni.

#Misurazione della Riflessione

Per misurare quanto riflette la luce terahertz da diversi materiali, viene cambiato l'angolo in cui la luce colpisce il campione. Questo avviene in piccoli passaggi da 15 a 45 gradi. L'obiettivo è catturare sia le riflessioni speculari, dove la luce rimbalza indietro allo stesso angolo con cui ha colpito la superficie, sia le riflessioni non speculari, dove la luce si disperde in varie direzioni.

#I Materiali Testati

Sono stati testati diversi tipi di assorbitori in questo studio:

• Tessellating Terahertz RAM (TKRAM): è una plastica caricata di carbonio progettata per assorbire efficacemente le onde terahertz.
• Doped Stycast: un pezzo piatto fatto da un mix di carbonio e ferro che riflette più luce di quanto assorba.
• Pyramidal Absorber (PMA): un materiale stampato in 3D con una struttura a piramide che aiuta ad assorbire la radiazione terahertz.
• AN72 e HR10: queste sono schiume disponibili in commercio utilizzate in applicazioni che necessitano di assorbimento nella gamma delle microonde.

#Risultati delle Misurazioni Speculari

I risultati degli esperimenti evidenziano quanto bene ciascun assorbitore si comporta quando la luce lo colpisce a vari angoli. Il TKRAM ha mostrato la migliore prestazione, assorbendo la maggior parte delle onde e riflettendo molto poco, specialmente a angoli intorno ai 30 gradi e superiori. Il PMA non ha performato altrettanto bene, ma ha comunque mostrato un assorbimento decente. Lo Stycast ha riflesso più luce degli altri a ogni angolo, il che non è ideale per applicazioni che richiedono assorbimento.

I risultati sono stati coerenti tra le diverse misurazioni, dimostrando affidabilità nel setup. Sono state notate variazioni nei risultati, specialmente con i materiali simili alla schiuma, indicando che potrebbero non essere così stabili quando sono sottoposti alla luce terahertz.

#Misurazioni Non Speculari

Non tutta la luce riflessa torna allo stesso angolo in cui è arrivata. Per avere un'idea migliore di quanto la luce si disperde a diversi angoli, sono stati eseguiti esperimenti aggiuntivi. Queste misurazioni hanno mostrato che lo Stycast rifletteva la maggior parte della sua luce in modo prevedibile, mentre l'HR10 disperdeva la luce in modo ampio a causa della sua struttura simile alla schiuma. Anche il TKRAM ha mostrato qualche variazione nel modo in cui rifletteva la luce in base all'angolo e alla polarizzazione.

#Riepilogo

Il setup descritto consente misurazioni dettagliate di come i materiali interagiscono con le onde terahertz su un'ampia gamma di frequenze e angoli. È stata valutata l'efficienza di diversi assorbitori, mostrando come alcuni materiali assorbano meglio di altri.

Queste informazioni sono cruciali per migliorare i progetti degli strumenti ottici utilizzati nello studio del CMB. Gli studi futuri approfondiranno come la temperatura e l'angolo influenzano la potenza riflessa da questi materiali. Combinando dati di misurazione reali con simulazioni, i ricercatori sperano di migliorare la loro comprensione di come funzionano questi assorbitori nelle applicazioni pratiche.

Questa ricerca è supportata da organizzazioni focalizzate sull'avanzamento delle conoscenze nello spazio e nell'astrofisica. L'obiettivo è applicare questi risultati per migliorare l'efficacia dei futuri esperimenti sul CMB e contribuire alla comunità scientifica più ampia.