自從 2015 年首次探測到一對黑洞碰撞產生的引力波信號以來，LIGO 和位於歐洲的 Virgo 天文臺，後續又記錄了數十次類似的”宇宙漣漪”。 SCI Tech Daily 指出，由美國國家科學基金會（NSF）資助的 LIGO 天文臺，分別位於美國華盛頓州的漢福德、以及路易士安那州的利文斯頓。 不久后，它們還將迎來重大的升級。

完整測量需耗費數小時，支援完全自動化 / 遠端控制。 （圖自：Caltech）

通過持續的升級，研究人員預計 LIGO 天文能夠探測到越來越多的此類宇宙極端事件。 進而有助於我們揭開宇宙的基本謎團，比如黑洞是如何形成的、以及我們所處的宇宙成分是怎麼來的。

提升引力波天文台靈敏度的一個重要因素，就是位於儀器中心的玻璃反射鏡上的塗層。 兩座 LIGO 天文臺的每個探測器中，都配備了四塊 40 公斤（88 磅）重的反射鏡。

通過將塗層沉積到比真實反射鏡更小的玻璃盤上，來簡化測試處理。

鏡片上塗覆的反射材料，基本上可將玻璃變身為一面鏡子，用於反射穿過儀器、對引力波極其敏感的鐳射束。

通常情況下，反射鏡越多、儀器就越靈敏，但研究人員也遇到了一個問題 —— 這種塗層會導致儀器產生背景雜訊，掩蓋掉我們實質上更感興趣的引力波信號。

照片中的粉色，由玻璃表面沉積的一層薄金屬氧化物塗層所致。

好消息是，在近日發表於《物理評論快報》上的一項新研究中，LIGO 團隊介紹了一種由氧化鈦和氧化鍺製成的新型反射鏡塗層。

可知新塗層不僅將 LIGO 反射鏡中的背景雜訊減少到了 1/2，還讓引力波天文台能夠探測的空間範圍增加了 1/8 。

測量系統的真空室視窗之一，紅點由探測鐳射束產生。

加州理工學院 LIGO 高級研究科學家 Gabriele Vajente 指出：”我們研究宇宙天文尺度的能力，受到了這個非常微小的圍觀空間中所發生的事情的限制。 基於此，研究團隊希望在理論可行的邊緣，找到一種突破性的新材料”。

真空室內部視圖，可同時測量四個不同材料的樣品。

加州理工學院 LIGO 實驗室執行主任 David Reitze 補充道：「在新塗層的加持下，我們有望將引力波的探測率，從每週一次、提升到每天一次或更多次」。

作為加州理工與科羅拉多、蒙特利爾、斯坦福等大學研究機構的一個合作專案，其藉助了斯坦福的 SLAC 同步加速器來完成塗層表徵，此外這項新進展有望在未來的通信與半導體領域發揮重要作用。

將樣品放入腔室內后，需經過一些微調，以確保水準且完美居中。

據悉，LIGO 使用了被稱作干涉儀的探測器來探測”時空漣漪”（引力波信號）。 裝置將一束強大的鐳射分成了兩束，然後分別沿著一條大型 L 形真空腔的下臂，傳播到 4 公裡外的鏡子上。

然後鏡子又會將鐳射束反射迴光源，若其受到了引力波的干擾，就會產生幾乎無法察覺（遠小於質子寬度）的拉伸和空間擠壓 —— 進而擾動改變兩束鐳射返回光源的時間。

腔室必須被抽到低於地球大氣壓的十億分之一

然而鏡子本身的任何抖動 —— 甚至塗層中原子的微觀熱振動 —— 都會影響鐳射束到達的時間，使得引力波信號更難以被分離。

每次光線在兩種不同材料之間通過時，都會反射一部分光線，這與我們在窗戶上觀察到的現象是一樣的（可在玻璃上看到自身微弱的反射）。

但通過添加多層不同的材料，我們可以更好地增強每次反射，直至鏡子的反射率達到99.999%。

Gabriele Vejente（圖自：Caltech）

Gabriele Vejente 表示：”這項工作的重要之處，在於我們開發了一套新方法來更好地測試材料”。

現能夠在大約 8 小時內，完全自動化地測試新材料的特性，遠低於此前將近一周的時間。 這使得研究人員能夠遍歷元素週期表，以嘗試各種不同的材料組合。

研究配圖 – 1：塗層材料 損耗測量

科羅拉多州立大學教授、LIGO 科學合作組織成員 Carmen Menoni 補充道：「通過定製工藝，我們找到了滿足光學品質和降低鏡面塗層熱雜訊的嚴格要求的新方法」。

具體說來是，Carmen Menoni 與同事們嘗試使用了一種被稱作”離子束濺射”的方法來塗覆鏡子。

研究配圖 – 2：退火持續時間 / 損耗影響

最終他們發現，由氧化鈦和氧化鍺組合製成的塗層材料所散耗的能量最少（相當於減少了熱振動）。

而在製造過程中，鈦和鍺原子從源上剝離、與氧結合、然後沉積在玻璃上，以形成原子薄層。

研究配圖 – 3：頻率 / 損失角

如果一切順利，新塗層可能被用於 LIGO 的第五次觀測運行。 作為Advanced LIGO Plus 計劃的一部分，下一次運行定於本世紀中期開始。

在此之前，LIGO 的第四次運行（即 Advanced LIGO 計劃的最後一次觀測），將於 2022 年夏季開啟。

研究配圖 – 4：Advanced LIGO+ 干涉儀的雜訊水準

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《物理評論快報》（The Physical Review Letters）上。

原標題為《Low Mechanical Loss TiO₂：GeO₂ Coatings for Reduced Thermal Noise in Gravitational Wave Interferometers》。