费米国家加速器实验室的陈伶俐·巴布 左图:麦克马洪团队开发的一个镜头安装在一个相机组件中
右上图:这是阶梯金字塔超材料结构的特写镜头，该结构负责透镜的抗反射特性
右下角:袖手旁观麦克马洪实验室的成员最近制造了硅透镜
信用:杰夫·麦克马洪 宇宙微波背景，或称宇宙微波背景，是宇宙大爆炸的电磁回声，自宇宙诞生38万年后第一批原子诞生以来，辐射就一直在时空中传播
测绘宇宙运动带中微小的变化会告诉科学家我们的宇宙是如何形成的以及它是由什么组成的
为了捕捉来自中央银行的古老的冷光，研究人员使用配备有超灵敏照相机的专用望远镜来检测毫米波长信号
下一代相机将包含多达10万个超导探测器
费米实验室科学家和芝加哥大学副教授杰夫·麦克马洪和他的团队已经为这些相机中使用的硅透镜开发了一种新型的基于超材料的抗反射离子涂层
“至少有六个项目没有这些是不可能的，”麦克马洪说
超材料是具有非天然属性的工程材料
神奇之处在于微观结构——微小的、重复的特征，比它们被设计用来相互作用的光的波长还要小
这些特征以非常规的方式弯曲、阻挡或操纵光线
一般来说，抗反射涂层的工作原理是从涂层的每一面反射光，反射光的粒子相互干涉和抵消，消除反射
对于麦克马洪的超材料来说，“涂层”是在每个硅透镜的每一侧都有一百万个微小而精确的切口
近看，这些特征看起来像阶梯式金字塔——三层方形柱子叠放在一起
柱子的间距和厚度经过微调，以在反射光之间产生最大的破坏性干涉
麦克马洪说:“光只有十分之一的几率反射出去。”
单晶硅透镜对微波和超纯是透明的，因此通过透镜的光不会被杂质吸收或散射
硅具有必要的光弯曲特性，可以将望远镜发出的光投射到一大堆传感器上，超材料结构可以处理反射光
因为每个透镜都是由一个纯硅晶体制成的，所以它们可以承受低温(探测器必须在0
1 kelvins)而没有破裂或剥落的风险，就像具有由不同材料制成的抗反射涂层的透镜一样
杰夫·麦克马洪和他的团队开发了新的技术，用于CMB望远镜镜头的曲面透镜，而不是平面硅晶片
信用:杰夫·麦克马洪 麦克马洪说，总的来说，这些镜头可以说是CMB仪器可用的最佳技术
“这并不是说你不能做这个实验，”麦克马洪说，但是对于当前和下一代CMB调查所要求的性能和耐用性，这些镜头是最先进的——他的团队是世界上唯一制造它们的人
麦克马洪和他的团队大约在10年前开始开发这项技术，当时他们开始研究一种新型的探测器阵列，并意识到y型探测器需要一个更好、反射更少的透镜与之配套
他说，最难的部分是弄清楚如何制作它
在平坦的硅片上制作微米级精确切割的技术已经存在，但是以前没有人将它们应用到透镜上
他们为阿塔卡马宇宙学望远镜制作的第一个镜头，名为ACT，花了12周时间制作，因为需要制作大量的切口
现在，随着费米实验室机器和自动化程度的提高，每个镜头只需要四天的时间，麦克马洪希望他们能够进一步简化这一过程
在密歇根大学工作到2020年1月，麦克马洪的团队为当前的CMB实验制造了大约20个镜头，包括ACTPol、高级ACTPol、CLASS、TolTEC和PIPER
他们现在正在为西蒙斯天文台生产透镜，该天文台将于明年开始收集数据
从那里，他们将开始为S4宇宙微波背景第四阶段制造额外的透镜，这是费米实验室参与的下一代项目
CMB-S4计划在2027年开始使用智利和南极天文台的21台望远镜收集数据，进行迄今为止最详细的CMB调查
麦克马洪说:“当我们完成一个镜头的时候，它在做科学，这让我觉得很有趣。”
“所有超材料都很酷，但最终我只想弄清楚宇宙是如何形成的，里面有什么
" 麦克马洪将招商银行S4分行比作打开一个装满黄金和珠宝的宝箱
他和其他对此做出贡献的研究人员不知道他们会在数据中找到什么，但他们知道这将是有价值的
即使他们没有发现原始引力波——该项目的主要目标之一——该实验仍将揭示诸如暗能量、暗物质和中微子质量等宇宙奥秘
麦克马洪说，他的团队用他们的透镜技术取得的成就证明了小努力对大科学的巨大影响
“努力是为了开始理解宇宙的起源，”他说
“我们的做法是，找出如何在硅中加工出小特征
"
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