Medición y simulación de propiedades mecánicas y ópticas de recubrimientos de SiC amorfos pulverizados

GOLDION

  • Un punto crítico en la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales está en los recubrimientos de sus espejos

Madrid / 1 de diciembre de 2022

Un amplio equipo internacional formado por centros de investigación y universidades de Italia Francia y España han estudiado la viabilidad de la utilización de espejos de carburo de silicio amorfo (a-SiC) para su utilización en experimentos ópticos de alta precisión, como los detectores de ondas gravitacionales actuales y futuros.

detectores de ondas gravitacionales

En los detectores de ondas gravitacionales como el interferómetro estadounidense LIGO, el europeo Virgo y el japonésKAGRA la luz tiene que recorrer enormes distancias para que se pueda detectar la variación de recorrido causada por las ondas gravitacionales.
Esto se consigue haciendo rebotar cientos de veces la luz en espejos. Estos espejos son uno de los elementos más críticos de la instalación en cuanto a pérdida de sensibilidad del sistema.

El nivel de sensibilidad del sistema es tal que el ruido que afecta las mediciones es causado por el movimiento browniano de las moléculas del espejo causado por la temperatura del material. Estas fluctuaciones superficiales inducidas térmicamente pueden ser más o menos disipadas según las propiedades elásticas del recubrimiento del espejo.

Carburo de silicio amorfo

El carburo de silicio cristalino (SiC) es un semiconductor muy utilizado debido a sus buenas propiedades físicas y a la rica variedad de sus formas cristalinas. El carburo de silicio cristalino es parte de una familia de materiales que exhiben un polimorfismo unidimensional, llamado politipismo. Sus cristales están formados por capas de distintos tipos apiladas unas encima de otras, siguiendo un patrón diferente en cada politipo.

Esquema del divisor en Y con vistas al microscopio de las piezas de la rejilla

Superficie del Carburo de silicio cristalino

Es posible un número casi infinito de politipos de carburo de silicio cristalino, y esto se refleja en una gran variabilidad de las propiedades físicas que puede tener, como el ancho de banda óptica, la conductividad térmica y eléctrica, etc.
En el caso de la estructura amorfa aquí estudiada, a esa variedad de configuraciones se añade la posibilidad de control de dopaje con otros elementos que permite ajustar las propiedades ópticas y mecánicas para conseguir un alto índice de refracción, estabilidad mecánica y baja absorción.

Por esa razón el equipo investigador ha querido estudiar el carburo de silicio amorfo como posible recubrimiento, fabricado por distintos métodos de deposición física.

Sin embargo, después de cultivar con éxito varias muestras amorfas de películas delgadas de carburo de silicio cristalino, se ha encontrado que las muestras depositadas se encuentran en una especie de estado no estabilizado.
Después del análisis se ha encontrado que las películas muestran un nivel de absorción de la luz al menos 5 órdenes de magnitud superior al de los recubrimientos actuales utilizados en los detectores de ondas gravitacionales, como tantala-titania o sílice.
Esto parece indicar que las películas delgadas de a-SiC son intrínsecamente mucho más absorbentes en el rango infrarrojo que su contraparte cristalina.
Además, las propiedades elásticas necesarias son también varias veces peores que el valor correspondiente para los recubrimientos que se utilizan actualmente

La principal conclusión de este trabajo es que el carburo de silicio cristalino amorfo, a pesar de sus propiedades favorables, parece no ser competitivo con respecto a otros materiales utilizados en experimentos que necesitan pérdidas ópticas y mecánicas ultra bajas.
Sin embargo, el interés por el carburo de silicio cristalino amorfo sigue existiendo debido a su amplia gama de aplicaciones. Por lo tanto, creemos que los datos obtenidos a lo largo de este trabajo podrían servir como recursos valiosos para futuros estudios.

Este es un trabajo de colaboración de la Universidad De Padova, la Universidad Claude Bernard Lyon, la Universidad de Roma Tor Vergata, el Instituto de Fotónica y Nanotecnología de Padova, el Laboratorio de Materiales Avanzados del CNRS, el grupo de Óptica para el espacio e iones de alta energía del CSIC, la Universidad de Génova, la Universidad de Roma “La Sapienza” y el Instituto Nacional de Física Nuclear de Pisa

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