2微米厚的镜面涂层，让LIGO发现了引力波

LIGO的激光干涉实验中，镜面上的涂层是成功的关键。

可以毫不夸张地说，是这些极薄的分子材料成就了过去几十年里的观测天体物理学。

这些金属氧化物加起来还不到2微米厚，但它们却是激光干涉引力波天文台（LIGO）中至关重要的材料。这种特殊的涂层让LIGO的镜子具有无与伦比的反射性，同时也让这对巨大的光学仪器检测到了引力波。

用实验检测这些引力波是一件大费周章的事。在21世纪初，LIGO的科学家就开始寻找引力波了，可惜，虽然他们一直在监控探测仪器，却全无所获。

他们还找到了最好的涂层，从而确保镜子保持极佳的反射性，这样就可以把光一直束缚在干涉臂中。通过这种方式能够保持光束的光强，使检测到极小的引力波信号的几率达到最大。

“涂层本身就面临许多难点，也有许多需要应对的限制，”Fritschel强调。比如，涂层的材料必须将由于涂层在室温下的分子振动导致的吸收和散射（热噪音）降至最低。而材料又必须和涂层技术兼容。

Fritschel说，LIGO团队和法国里昂第一大学的一个特种涂料研究中心（LMA）合作，最终决定用SiO2和掺杂了TiO2的Ta2O5制造涂层。实际制造的过程中，这两种材料需要互相交替覆盖，共计30层。它们除了吸收率比较低以外，折射率的差异也很大，可以增加涂层的反射性。

掺杂TiO2还能进一步增加两者间折射率的差异。LMA用离子束溅射技术来镀膜，用这种技术可以在镜面上留下极为平滑的涂层。根据美国物理学家，LIGO光学工作组前主席Gregory M. Harry的说法，多项测试都显示出，LIGO的大修让引力波信号的检测灵敏度增加了2倍左右。这项进步非常值得赞扬。

因此在2015年9月，也就是在更新后的仪器——aLIGO（Advanced LIGO）上线后几天，大家翘首以盼的事情终于成真了。一开始，没人相信这是真的。当Harry第一次看到信号的时候，他还以为这又是一次空运行（数据流中插入的假结果，用来测试仪器以及团队分辨信号的能力）。

加州理工学院的GariLynn Billingsley一开始也这么认为，“或许只是个恶作剧”，她说。Billingsley是管理部分LIGO光学部件的设计、制造和测试的高级光学工程师。

这个团队很快就排除了其他的可能性。Harry激动地说：“不用怀疑，我们真的检测到引力波了。我简直无法相信这是真的。”

位于美国两端的两组仪器几乎同时检测到了信号。研究人员对这些信号进行了审查。他们判定检测到了引力波。该引力波是两个黑洞在13亿年前并合成一个黑洞时产生的，它们的质量大约分别是太阳的29和36倍。

获得这些杰出的成就后，LIGO的团队急切地想了解更多关于引力波和黑洞的知识，他们还想要检测中子星并合和其他能够产生时空涟漪的天文事件。

想要达成这些目标，就需要进一步改良仪器，其中又包括了调优镜面的涂层。这可能需要在分子水平对涂层的进一步认识的推动，而在这个层面还有不少未解决的问题。

比如，掺杂TiO2可以减少热噪声，但是人们还不清楚这背后的机制。如果能够理解这背后的机制，那么涂层就能得到进一步的改良。Harry认为，虽然掺杂后的材料依然保持非晶体态，但掺杂可使钽、钛和氧的平均化学键距离变得更有规律。

他说：“我们的数据清晰地说明在掺杂后材料就会变得不那么无定形。”但是这种结构变化减少热噪声的机理还是一个开放的研究课题。另外一个尚待回答的问题就是能够改善薄膜性质的退火效应。

在追寻引力波数十年后，经过改进的探测仪终于检测到了引力波的确凿证据，LIGO的科学家对此表示欣喜异常。这是天文学新时代的开端。但是他们也希望进一步改良检测灵敏度，而完美的光学涂层似乎就是问题的关键。

如Billingsley所说：“我们需要向化学家、材料科学家们求助，让他们帮助我们制造更好的涂层，弄清楚在分子层面上这些薄膜起到的作用。”

撰文 Mitch Jacoby

翻译 徐寒易