SiO2-TiO2: un sérieux candidat pour détecter les ondes gravitationnelles
SiO2-TiO2: a serious contender for gravitational-wave detectors
Valérie Martinez et Paul Dabadie (g-MAG, Soprano) en collaboration avec des collègues d’Ecosse, des Pays-Bas, des USA, du Canada et d’Allemagne ont publié un article intitulé "Titania mixed with silica: A low thermal-noise coating material for gravitational-wave detectors" dans le journal Physical Review Letters.
Valérie Martinez and Paul Dabadie (g-MAG, Soprano) in collaboration with colleagues from Scotland, the Netherlands, the USA, Canada and Germany have published a paper entitled "Titania mixed with silica: A low thermal-noise coating material for gravitational-wave detectors" in Physical Review Letters.
L’article porte sur SiO2-TiO2, un matériau très prometteur en tant que composant des miroirs à haute réflectivité des détecteurs des Ondes Gravitationnelles (OG). Les miroirs des détecteurs des OG sont des miroirs de Bragg actuellement constitués de couches minces de SiO2 (matériau bas indice) et de Ta2O5-TiO2 (matériau haut indice). Le bruit thermique de ces couches minces est l'une des principales sources de bruit dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles actuels et limite leur capacité à observer des signaux d’intensité plus faible ou provenant de régions de l’espace plus éloignées. La diminution du bruit thermique des miroirs après recuit a été montrée mais la présence du Ta2O5-TiO2 limite ce recuit à 500°C. En effet, au-delà, le film cristallise ce qui génère notamment des phénomènes de diffusion de la lumière, très néfastes pour la détection des OG. De nombreuses pistes sont explorées (SiNx, GeO2-TiO2…) et un candidat très prometteur est un film composé de silice, matériau à très bas bruit thermique et résistant à la cristallisation à des températures supérieures à 500°C et de TiO2 pour augmenter l’indice de réfraction. Les auteurs ont ainsi étudié des films SiO2-TiO2 seuls ayant différentes teneurs en TiO2 et des empilements SiO2/ SiO2-TiO2. Des mesures d’absorption optique et de bruit thermique ont été réalisées en fonction de la température de recuit. Les films ont aussi été analysés par spectroscopie Raman afin d’étudier leur cristallisation. Dans cet article, les auteurs montrent que le bruit thermique d’un empilement successif de couches de SiO2 et de SiO2-TiO2 ayant une teneur en TiO2 de 69,5% diminue avec la température. Il atteint le niveau des miroirs Ligo pour une température de recuit de 650°C et diminue encore jusqu’à 850°C pour atteindre 76% de ce niveau. Concernant la cristallisation des films, elle débute à 575°C ce qui génère de la lumière diffusée dont le niveau est quasiment doublé à 850°C. Cependant, la lumière diffusée par le film recuit à 850°C est du même ordre de grandeur que celle diffusée par les miroirs Ligo, voire plus faible, ce qui est très encourageant !
This article focuses on SiO2-TiO2, a material that shows great promise as a component of high-reflectivity mirrors for gravitational wave (GW) detectors. The mirrors used in these interferometers are Bragg mirrors currently made up of alternative layers of SiO2 (low-index material) and Ta2O5-TiO2 (high-index material). The thermal noise of these thin films is one of the main sources of noise in today's gravitational wave detectors, limiting their ability to observe signals of lower intensity or coming from more distant regions of space. A reduction in the thermal noise of mirrors after annealing has been shown, but the presence of Ta2O5-TiO2 limits this annealing to 500°C. Indeed, at higher temperature, the film crystallizes, generating light scattering phenomena that are highly detrimental to the detection of OG. Numerous candidates are being explored (SiNx, GeO2- TiO2...) and one very promising is a film composed of silica, a material with very low thermal noise and resistant to crystallization at temperatures above 500°C, and TiO2 to increase the refractive index. The authors studied single SiO2-TiO2 films with different TiO2 contents and SiO2/ SiO2-TiO2 stacks. Optical absorption and thermal noise were measured as a function of annealing temperature. The films were also analyzed by Raman spectroscopy to study their crystallization. In this paper, the authors show that the thermal noise of a successive stack of SiO2 and SiO2- TiO2 layers with a TiO2 content of 69.5% decreases with temperature. It reaches the level of Ligo mirrors for an annealing temperature of 650°C and decreases further up to 850°C to reach 76% of this level. Crystallization of the films begins at 575°C, generating scattered light whose level is almost doubled at 850°C. However, the light scattered by the film annealed at 850°C is of the same order of magnitude as that scattered by the Ligo mirrors, or even lower, which is very encouraging!
