Hoje, os astrônomos procuram observar os objetos mais tênues e distantes possíveis. Telescópios Extremamente Grandes (ELTs), com aberturas na ordem de várias dezenas de metros, são as instalações de próxima geração para fazê-lo. No entanto, construir telescópios maiores é apenas uma parte da equação. A outra parte é a capacidade de detectar os fótons reunidos da maneira mais eficiente possível.

É aqui que tornar todos os outros componentes ópticos em instrumentos astronômicos mais eficientes se torna crucial. Um componente essencial usado na ciência astronômica moderna é a grade de difração . Seu papel é espalhar espacialmente a luz recebida em suas frequências constituintes, semelhante à forma como um prisma de vidro faz.

Graças a uma estrutura projetada com precisão que aproveita a natureza ondulatória dos fótons, as grades de difração podem separar a luz de diferentes comprimentos de onda com resolução muito alta. Quando acoplado a um telescópio e um espectrômetro, as grades permitem que os cientistas analisem as propriedades espectrais dos corpos celestes.

Motivados pelo progresso um tanto estagnado feito na tecnologia de grades na última década, os pesquisadores Hanshin Lee da Universidade do Texas em Austin e Menelaos K. Poutous da Universidade da Carolina do Norte em Charlotte, focaram em uma maneira completamente diferente de fabricar grades de difração.

Em seu artigo recentemente publicado no Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems , eles relatam seu sucesso na fabricação de grades de difração de alta eficiência de prova de conceito usando gravação de íon-plasma reativo (RIPLE), uma tecnologia de fabricação baseada em plasma normalmente usado para semicondutores.

Simplificando, o processo RIPLE usado neste estudo envolve "desenhar" (usando um feixe de elétrons de alta precisão) o padrão de grade desejado em uma camada de máscara de cromo colocada sobre um substrato de quartzo. O padrão de grade é então esculpido diretamente no substrato de quartzo usando plasma quimicamente reativo; a máscara de cromo atua como um escudo e o plasma apenas corrói as regiões expostas.

Depois de ajustar vários parâmetros do processo por meio de cálculos teóricos , simulações e tentativa e erro experimentais, os pesquisadores conseguiram produzir grades de difração de primeira ordem com estruturas em nanoescala muito precisas. Isso se traduziu em uma eficiência de difração não polarizada quase teórica, atingindo 94,3% em seu pico e permanecendo acima de 70% em uma faixa de comprimento de onda maior que 200 nm.

“Esse tipo de desempenho raramente foi alcançado em redes de difração usadas para astronomia, onde cada ganho de eficiência realmente importa devido à fome de fótons”, disse Lee.

Outra vantagem de usar o processo RIPLE para produzir grades de difração é que a estrutura da grade é embutida diretamente no substrato de vidro, o que significa que eles compartilham as mesmas características do material.

"Nossas grades podem ser muito robustas opticamente, termicamente e mecanicamente, o que as torna ideais para ambientes agressivos , como os encontrados em observatórios espaciais e sistemas criogênicos", disse Poutous, "Isso permite sua aplicação em uma ampla gama de aplicações científicas e medições espectroscópicas de engenharia."

No geral, os resultados deste estudo mostram o potencial do processo RIPLE para revolucionar a forma como as redes de difração são fabricadas. Os pesquisadores estão otimistas sobre o uso futuro de tais grades de alta eficiência na próxima era de ELTs terrestres com aberturas superiores a 30 metros. Com alguma sorte, essas grades serão fundamentais para os astrônomos observarem objetos extremamente fracos no espaço nos próximos anos.