SiO2-TiO2: un sérieux candidat pour détecter les ondes gravitationnelles

 

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.
 

 

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 !
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