برای ساختن یک آینه کامل، فیزیکدانان با راز شیشه روبرو می‌شوند

منتشر‌شده در: مجله quanta به تاریخ ۲ آپریل ۲۰۲۰
لینک منبع: To Make the Perfect Mirror, Physicists Confront the Mystery of Glass

رصدخانه موج گرانشی لیزری اینترفرومتر می‌تواند حرکات هزاران بار کوچک‌تر از پهنای یک اتم را کشف کند و این تا حدودی به خاطر آینه‌های تقریبا کامل دستگاه است. آینه‌ها پرتوهای لیزر را در بازوان آشکارسازهای L شکل لیگو منعکس می‌کنند. تغییرات در طول نسبی بازوها نشان می‌دهد که چه زمانی یک موج گرانشی از زمین عبور می‌کند و فضا-زمان را کش می‌دهد و فشرده می‌کند.

آن‌ها هیچ شباهتی به آینه‌های معمولی ندارند. در آینه حمام، نور از فلز بازتاب می‌کند، که شیشه جلوی آن صرفا برای حفاظت است. اما لیزر ۱۰۰ کیلووات لایگو هر فلزی را سرخ می‌کند. در عوض، آینه‌های آن کاملا از شیشه ساخته شده‌اند.

به طور معمول شیشه انعکاسی نیست. فلز بازتاب‌کننده است چون امواج نور الکترون‌های آزاد آن را حرکت می دهد که در نتیجه این عملیات فوتون را جذب و منتشر می‌کنند. در مقابل، شیشه به بیشتر نور اجازه می‌دهد از آن عبور کند چون الکترون‌های آن در درون اتم‌های آن‌ها می‌مانند و خیلی با نور تعامل ندارند. اما لیگو با استفاده از حیله‌ای که برای اولین بار در سال ۱۹۳۹ اختراع شد، آینه‌ها را از شیشه می‌سازد. آینه‌ها شامل ۷۰ لایه شیشه هستند که به طور متناوب بین شیشه اکسید سیلیکون (یا سیلیکا، ماده بیشتر شیشه‌ها) و پنتا اکسید تانتال (تانتال) قرار می‌گیرند. هر لایه بخش کوچکی از نور را منعکس می‌کند. ضخامت هر لایه با دقت بسیار بالایی انتخاب شده‌است به طوری که برای طول‌موج دقیق لیزر لیگو، تمام بازتاب‌ها به طور سازنده تداخل می‌کنند و به آینه‌ای اضافه می‌شوند که ۹۹.۹۹۹۹٪ بازتابنده است.

با این حال، آینه‌های لیگو به دلیل نوع عجیبی از نویز که درون شیشه پخته می‌شود، ناقص هستند. شیشه شامل اتم‌ها یا مولکول‌هایی است که به طور اتفاقی طوری چیده شده‌اند که انگار در یک مایع قرار گرفته‌اند اما به گونه‌ای گیر افتاده‌اند و نمی‌توانند جاری شوند. فیزیکدانان بر این باورند که نویز ذاتی در شیشه از خوشه‌های کوچکی از اتم‌ها می‌آید که بین دو شکل مختلف به عقب و جلو تغییر می‌کنند. این «سیستم‌های دو سطحی» تا حدی فاصله نور لیزر را بین آینه‌های لیگو تغییر می‌دهند، چون سطح هر لایه شیشه‌ای به اندازه پهنای اتم تغییر می‌کند.

فرانسیس هلمن، یک متخصص شیشه در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و عضو تیم علمی ۱۰۰۰ نفره لیگو گفت: « لیگو در این مرحله به معنای واقعی کلمه محدود به آن است.» هلمن گفت: «با وجود آشکارسازهای» جداسازی ارتعاش شگفت‌انگیز، میرایی، همه انواع چیزهایی که منجر به حساسیت فوق‌العاده شده‌اند، «تنها چیزی که آن‌ها نتوانسته اند از شر این حرکات کوچک و خنده‌دار اتمی در پوشش‌های آینه‌ای خلاص شوند» با توجه به دامنه هزار  یک اتم امواج گرانشی که به دنبال آن هستند، حرکات اتمی یک مشکل بزرگ هستند.

با این وجود، امید وجود دارد. گروه هلمن و دیگران که با بینش‌های نظری اخیر در مورد ماهیت شیشه مجهز شده‌اند، در حال تلاش برای پیدا کردن یک شیشه کامل‌تر برای استفاده در آینه لیگو هستند. لیگو پلاس پیشرفته، تکرار بعدی این آزمایش، که قرار است در سال ۲۰۲۴ آغاز شود، نیاز به آینه‌ها دارد که کم‌تر از نصف آینه‌های فعلی پر سر و صدا باشند. در ارتباط با دیگر بهبودها، این بهبود به هفت برابر انحراف موج گرانشی-تقریبا هر چند ساعت یک‌بار-تبدیل خواهد شد.

در حال حاضر، محققان برخی از دوربین‌های کاندید را پیدا کرده‌اند که ممکن است الزامات طراحی را برآورده کنند، اما هنوز به دنبال یک برنده روشن هستند. ایان مارتین، فیزیکدان شیشه‌ای در دانشگاه گلاسگو که بخشی از کتابداری و اطلاع‌رسانی نیز هست، می‌گوید: « برای مدتی طولانی این یک رویکرد کمی تصادفی بود.» « اکنون ما در وضعیتی هستیم که در جستجوی خود بیشتر راهنمایی می‌شویم.»

گروه هلمن به دنبال چیزی نزدیک به «شیشه ایده‌آل» است که یک مرحله فرضی از موضوع پیش‌بینی‌شده در دهه‌های قبل است. مولکول‌ها در شیشه ایده‌آل از نظر تئوری در پایین‌ترین آرایش تصادفی ممکن با هم جمع شده‌اند، یک حالت کاملا پایدار که هیچ سیستم دو سطحی ندارد. شیشه ایده‌آل، اگر وجود داشته باشد، توضیح می‌دهد که چه اتفاقی در تمام شیشه‌ها می‌افتد؛ این حالتی است که مولکول‌ها در شیشه معمولی سعی می‌کنند به آن برسند.

در سال ۲۰۰۷، جستجو برای شیشه ایده‌آل منجر به اختراع یک تکنیک جدید ساخت شیشه شد که نسبت به قبل شیشه با ثبات تری تولید می‌کند. به جای خنک کردن یک مایع تا سفت شدن آن، مانند آنچه که شیشه سازها به مدت ۴ هزار سال انجام داده‌اند، ادیگر و تیم او مولکول‌ها را یکی یکی روی یک سطح انداختند، انگار که قطعات تتریس هستند، که به آن‌ها امکان پیدا کردن محلول‌های اسناگ را می‌دهد. آزمایش سال ۲۰۱۴ توسط هلمن و تیم برکلی او نشان داد که شیشه سیلیکون «فوق‌العاده پایدار» ساخته‌شده به این روش، سیستم‌های دو سطحی بسیار کمتری نسبت به شیشه معمولی دارد.

چند سال پیش، هلمن متوجه شد که شیشه فوق پایدار نیز ممکن است برای آینه‌های لیگو خوب عمل کند، زیرا کم‌تر از سر و صدایی که در حال حاضر آن‌ها را آزار می‌دهد، رنج می‌برد. سیلیکون بسیار پایدار کار نخواهد کرد، زیرا نور بسیار زیادی را با طول‌موج ۱.۵ میکرون، طول‌موج لیزر لیگو جذب می‌کند. در طول دو سال گذشته، گروه هلمن با ویژگی‌های سیلیکا، تلوریم اکسید (تلوریا) ، سلنیوم اکسید (سلنیا) و ژرمانیم اکسید (جرمانیا) بازی کرده‌است.

مارتین و گروه گلاسگو توجه خود را بر روی شیشه متمرکز کرده‌اند که فاقد ساختار مولکولی خاص متشکل از آرایش هرمی شکل چهار مولکول است که در آن دو مولکول نیز بخشی از چهار وجهی دیگر هستند. کار سال گذشته با هم‌کاری محققان دانشگاه استنفورد نشان داد که این چیدمان ها منجر به نویز بیشتر-احتمالا به این دلیل که آن‌ها سیستم‌های دو سطحی بیشتری ایجاد می‌کنند-نسبت به ساختارهایی که در آن‌ها چهار وجهی‌های مجاور در شیشه تنها یک مولکول را به اشتراک می‌گذارند. مارتین شیشه ژرمانیا را می‌بیند که این چیدمان های با سر و صدای پایین را به عنوان جایگزینی مناسب برای لایه‌های تانتال ۳۵ در آینه ۷۰ لایه لیگو می‌داند. جرمانیا به خودی خود نور بسیار کمی را منعکس می‌کند، اما دوپینگ آن با تیتانیوم می‌تواند به آن کمک کند. (۳۵ لایه دیگر هنوز هم مانند آینه‌های فعلی، سیلیکا خواهند بود.)

به گفته مارتین گزینه دیگری که تاکنون شناسایی شده‌است استفاده از سیلیکون فوق پایدار هلمن در برخی از لایه‌ها است. او و همکارانش راه‌هایی برای کاهش جذب نور سیلیکون در طول‌موج عملیاتی LIgo پیدا کرده‌اند. او گفت: «ما فکر می‌کنیم که به اندازه کافی کم است که بتوان از آن استفاده کرد،» اما تنها در لایه‌های پایینی آینه، که در آن بیشتر نور قبلا منعکس شده‌است و مقدار کمی برای جذب وجود دارد که مشکلی ایجاد کند. مارتین گفت: « این احتمال وجود دارد که حتی بتوان این ایده را با ایده ژرمانیا ترکیب کرد و در قسمت بالای [ آینه ] به ژرمانیا و سیلیس و در قسمت پایین به آن اشاره کرد.»

ضرب العجل اصلی برای انتخاب این تیم در روز ۳۰ ماه مه بود، اما تیم «لیگو» به دلیل بیماری همه‌گیر «کرونا ویروس» در حال بررسی یک دوره ۶ تا ۱۸ ماهه می‌باشد. مارتین گفت: « هنوز کارهای زیادی باید انجام شود تا ما مطمئن شویم که چه پوششی موثر خواهد بود و همه تحقیقات آزمایشگاهی برای این پروژه در دست انجام است.»

البته، اگر شیشه کامل، بسیار پایدار و عاری از جذب کمی بعد از موعد مقرر کشف شود، می‌تواند برنامه (لیگو) را تغییر دهد. هلمن گفت: « اگر می‌توانستیم نویز را با شدت کم کنیم، آن‌ها تعطیلی دیگری را برنامه‌ریزی می‌کردند.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.