di Gloria Nobile
A metà strada fra scienza dei materiali e astronomia gravitazionale, la ricerca sui rivestimenti ottici (in inglese coating) degli specchi dell’Einstein Telescope (ET) gioca un ruolo cruciale nel garantire le alte prestazioni dell’interferometro.
I coating sono strati sottili di materiali specifici applicati sulle superfici degli specchi per conferire loro le proprietà ottiche desiderate, come il livello di riflessione o trasmissione richiesto.
Diverse fonti di rumore (ne abbiamo parlato qui) possono compromettere le misurazioni dell’esperimento. Anche questi rivestimenti hanno un impatto diretto sulla sensibilità del rivelatore: eventuali perdite ottiche o meccaniche possono infatti introdurre rumore, interferendo con le rilevazioni dei segnali di onde gravitazionali.
«Il rumore termico è tra i più insidiosi. Si tratta del rumore generato nell’interferometro da continui riarrangiamenti a livello microscopico della struttura atomica degli specchi», spiega Hanna Skliarova, ricercatrice nell’ambito del progetto ETIC all’Università di Padova. «Un modo per ridurre questo rumore consiste nel mantenere gli specchi di ET a bassa temperatura. Proprio per questo, una parte dell’interferometro è progettata per lavorare in condizioni criogeniche».
Cercare i materiali meno “rumorosi” e ottimizzare le proprietà dei coating, così da ridurre il disturbo che essi stessi generano, è quindi fondamentale per raggiungere il livello di sensibilità previsto per l’Einstein Telescope. Un obiettivo, questo, che richiede attrezzature all’avanguardia e un significativo sforzo di ricerca e sviluppo. L’Università di Padova, insieme alle sezioni locali di INFN e INAF, è fortemente impegnata su molti fronti sia teorici sia sperimentali di questo grande progetto, in particolare con la produzione di rivestimenti ottici per la ricerca sui materiali degli specchi di ET. Un ruolo centrale sarà svolto dal laboratorio COMET (Coating Materials for Einstein Telescope), del Dipartimento di fisica e astronomia “Galileo Galilei” dell’Università di Padova, che sorgerà a Rovigo nell’ambito del progetto ETIC.
«Questo centro sarà dedicato alla produzione di campioni di alta qualità e allo studio dei processi di deposizione durante la fabbricazione. Il laboratorio si concentrerà sulla ricerca e lo sviluppo di film ottici innovativi, caratterizzati da estrema trasparenza e un elevato fattore di qualità meccanico», precisa Skliarova. «Tra i suoi principali obiettivi vi è l’identificazione e l’eliminazione delle cause fisiche dell’assorbimento ottico dei rivestimenti e delle fonti di dissipazione meccanica. Entrambi questi parametri sono criticamente influenzati da fattori complessi come le proprietà strutturali, meccaniche, compositive e superficiali dei materiali».
COMET sarà in grado di produrre campioni su richiesta per la comunità scientifica internazionale, favorendo lo sviluppo di nuovi materiali e trattamenti che potranno, in futuro, essere riprodotti su grande scala per realizzare gli specchi di ET e di altri interferometri gravitazionali.
Sul fronte della ricerca nell’ambito dei coating, sono in prima linea anche i laboratori dell’Università di Bologna. «Dopo una valutazione preliminare di diversi materiali, quello che abbiamo identificato come il più promettente per la nostra ricerca è un film sottile composto da biossidi misti di titanio e silicio», afferma Sara Cepić, dottoranda all’Università di Bologna, anche lei ricercatrice nell’ambito del progetto ETIC. «Questi sottili rivestimenti saranno preparati utilizzando la tecnica di co-sputtering magnetron a radiofrequenza. La camera di deposizione è stata adibita appositamente per questo progetto, permettendoci di utilizzare simultaneamente due sorgenti diverse».
Questa configurazione consente di creare film compositi con rapporti estremamente precisi tra le quantità di biossidi di titanio e silicio, permettendo di studiare in dettaglio come la variazione di questi rapporti influenzi le proprietà del materiale. L’analisi parte da una distribuzione uniforme dei due componenti, aumentando progressivamente la proporzione di uno rispetto all’altro.
Per lo studio della morfologia e la microanalisi dei materiali vengono impiegate tecniche avanzate. La microscopia a forza atomica (AFM) e la microscopia elettronica a scansione (SEM) permettono di ottenere immagini ad alta risoluzione della superficie dei campioni, fino al livello nanometrico. Integrata a queste tecniche, la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) consente di identificare e caratterizzare gli elementi chimici presenti e le loro concentrazioni.
«L’Università di Bologna collabora attivamente anche con altri gruppi per sviluppare materiali sempre più performanti», conclude Cepić. «La ricerca include design, caratterizzazione, deposizione e ottimizzazione dei film sottili che saranno applicati sugli specchi di ET, un progetto davvero rivoluzionario e di importanza globale».
Per saperne di più, guarda le interviste a Hanna Skliarova e Sara Cepić sul canale YouTube di ET Italia.
Crediti immagine in evidenza: EGO/Virgo

Sara Cepić nel laboratorio