In een van de researchgangen van Nikhef in Amsterdam wordt gebouwd aan een compact nieuw lab voor onderzoek aan ultrakoude spiegels voor zwaartekrachtsgolfdetectoren. Het koudste en stilste ter wereld.
Als post-doc onderzoeker Viola Spagnuolo de onopvallende deur in de researchgang open doet, brullen pompen en koelunits de bezoeker tegemoet. Geribde metalen slangen verdwijnen via doorgangen door de achterwand, waarachter zich het nieuwe lab bevindt. Het koudste en stilste spiegellab ter wereld, al is dat hier nog even moeilijk voor te stellen.
Twee deuren verder in de fluisterstille clean-room staat op een stevig geel metalen frame de eigenlijke opstelling. Een liggend stalen vat met een ruim toegangsluik met slangen en kabels die door flenzen naar binnen gaan.
Daar bovenop het vat waarin een trillingsvrije door Nikhef-engineer Rogier Elsinga ontworpen spiegelophanging schuilgaat waaraan testobjecten kunnen worden opgehouden. De Universiteit van Twente ontwikkelde de koel- en vacuumtechniek. Een kleine patrijspoort zit voorlopig nog dicht, maar wordt uiteindelijk de plek waar lasers voor metingen naar binnen kunnen schijnen.
Allemaal voorzieningen, legt Spagnuolo uit, om efficiënt tests te kunnen doen aan coatings voor de silicium spiegels die gebruikt gaan worden in de volgende generatie detectoren voor zwaartekrachtsgolven. Concreet: de voorgestelde Einstein Telescope.
Einstein Telescope wordt een observatoriuim voor zwaartekrachtsgolven uit het heelal. In 2015 werden zulke minieme trillingen voor het eerst gemeten met behulp van interferometers, die met lasers extreem nauwkeurig de afstanden tussen roerloze spiegels meten.
Inmiddels is zwaartekrachtsgolfonderzoek een volwassen wetenschappelijke discipline geworden, ook op Nikhef dat een van de initiatiefnemers is voor een grote ondergronds observatorium voor zwaartekrachtsgolven in Europa.
Op de exacte configuratie en locatie van de Einstein Telescope wordt nog volop gestudeerd. Maar hoe dan ook wordt het een laserinterferometer die bij ultralage temperatuur gaat werken, om zo weinig mogelijk storende thermische ruis te ondervinden.
Zwaartekrachtsgolven zijn buitengewoon zwakke signalen als ze op aarde aankomen, dus moeten de detectoren zo stil mogelijk zijn. Mechanische ruis en trillingen zijn met geavanceerde ophangingen inmiddels goed te onderdrukken. Maar dan nog gooien thermische bewegingen van spiegeloppervlakken eigenlijk te veel roet in het eten.
Extreem afkoelen tot 10-20 kelvin is de oplossing voor deze thermische ruis, maar glas is bij die temperaturen ongeschikt. In Einstein Telescope komen daarom massieve silicium spiegels, met geschikte coatings om laserlicht effectief te weerkaatsen om de ruimtetijd golven te detecteren.
Een nadeel heeft silicium echter ook: het absorbeert het gangbare 1064 nm-laserlicht van de bestaande detectoren, wat weer thermische ruis veroorzaakt. Einstein Telescope krijgt daarom 1550 nm lasers, waarvoor silicium transparant is. Maar ook dat is relatief onbekend terrein, dat veel onderzoek vergt, bijvoorbeeld naar optimale spiegelcoatings.
De koeling en het silicium zijn nieuw en vragen om nog veel onderzoek en ontwikkeling, net als de toepassing van 1550 nm-lasers. En precies daarvoor, wijst Spagnuolo om zich heen, is dit lab op Nikhef de beste plek die een onderzoeker kan wensen. “Het is ultrastil en ultrakoud in ultrahoog vacuum, en we hebben een ongekend groot werkvlak vergeleken bij labs in bijvoorbeeld de VS.”
Het nieuwe Coating Thermal Noise-lab is al in 2018 ontsproten aan het brein van Nikhef-onderzoekers Allesandro Bertolini en Matteo Tacca en nadert nu zijn voltooiing. De bouw is deels gefinancierd door het Dutch Black Hole Consortium, een nationale interdisciplinaire onderzoekscombinatie op het gebied van zwarte gaten.
De opstelling in Amsterdam is nog in de testfase, maar geeft al goede resultaten, zegt Spagnuolo. Inmiddels lukt het om tot 4 kelvin te koelen onder hoog-vacuum.
Momenteel wordt gewerkt aan een procedure om eerst zo diep mogelijk te koelen en dan koeling en pompen een paar minuten uit te zetten, om tijdens metingen geen enkele trillingen of ruis te introduceren. Het doel, zegt de onderzoekster, is een halfuur meettijd. Haalbaar, schat ze.
Deze zomer wordt ook de nieuwe laser opgebouwd op een optische tafel naast de meetopstelling. De start van het eigenlijke onderzoek aan optimale coatings voor de spiegels van de toekomst wordt begin 2027 voorzien.
