LIGO的激光干涉實驗中，鏡面上的涂層是成功的關鍵。

    可以毫不夸張地說，是這些極薄的分子材料成就了過去幾十年里的觀測天體物理學。

    這些金屬氧化物加起來還不到2微米厚，但它們卻是激光干涉引力波天文臺（LIGO）中至關重要的材料。這種特殊的涂層讓LIGO的鏡子具有無與倫比的反射性，同時也讓這對巨大的光學儀器檢測到了引力波。

    用實驗檢測這些引力波是一件大費周章的事。在21世紀初，LIGO的科學家就開始尋找引力波了，可惜，雖然他們一直在監控探測儀器，卻全無所獲。

    他們還找到了最好的涂層，從而確保鏡子保持極佳的反射性，這樣就可以把光一直束縛在干涉臂中。通過這種方式能夠保持光束的光強，使檢測到極小的引力波信號的幾率達到最大。

    “涂層本身就面臨許多難點，也有許多需要應對的限制，”Fritschel強調。比如，涂層的材料必須將由于涂層在室溫下的分子振動導致的吸收和散射（熱噪音）降至最低。而材料又必須和涂層技術兼容。

    Fritschel說，LIGO團隊和法國里昂第一大學的一個特種涂料研究中心（LMA）合作，最終決定用SiO2和摻雜了TiO2的Ta2O5制造涂層。實際制造的過程中，這兩種材料需要互相交替覆蓋，共計30層。它們除了吸收率比較低以外，折射率的差異也很大，可以增加涂層的反射性。

    摻雜TiO2還能進一步增加兩者間折射率的差異。LMA用離子束濺射技術來鍍膜，用這種技術可以在鏡面上留下極為平滑的涂層。根據美國物理學家，LIGO光學工作組前主席Gregory M. Harry的說法，多項測試都顯示出，LIGO的大修讓引力波信號的檢測靈敏度增加了2倍左右。這項進步非常值得贊揚。

    因此在2015年9月，也就是在更新后的儀器——aLIGO（Advanced LIGO）上線后幾天，大家翹首以盼的事情終于成真了。一開始，沒人相信這是真的。當Harry第一次看到信號的時候，他還以為這又是一次空運行（數據流中插入的假結果，用來測試儀器以及團隊分辨信號的能力）。

    加州理工學院的GariLynn Billingsley一開始也這么認為，“或許只是個惡作劇”，她說。Billingsley是管理部分LIGO光學部件的設計、制造和測試的高級光學工程師。

    這個團隊很快就排除了其他的可能性。Harry激動地說：“不用懷疑，我們真的檢測到引力波了。我簡直無法相信這是真的。”

    位于美國兩端的兩組儀器幾乎同時檢測到了信號。研究人員對這些信號進行了審查。他們判定檢測到了引力波。該引力波是兩個黑洞在13億年前并合成一個黑洞時產生的，它們的質量大約分別是太陽的29和36倍。

    獲得這些杰出的成就后，LIGO的團隊急切地想了解更多關于引力波和黑洞的知識，他們還想要檢測中子星并合和其他能夠產生時空漣漪的天文事件。

    想要達成這些目標，就需要進一步改良儀器，其中又包括了調優鏡面的涂層。這可能需要在分子水平對涂層的進一步認識的推動，而在這個層面還有不少未解決的問題。

    比如，摻雜TiO2可以減少熱噪聲，但是人們還不清楚這背后的機制。如果能夠理解這背后的機制，那么涂層就能得到進一步的改良。Harry認為，雖然摻雜后的材料依然保持非晶體態，但摻雜可使鉭、鈦和氧的平均化學鍵距離變得更有規律。

    他說：“我們的數據清晰地說明在摻雜后材料就會變得不那么無定形。”但是這種結構變化減少熱噪聲的機理還是一個開放的研究課題。另外一個尚待回答的問題就是能夠改善薄膜性質的退火效應。

    在追尋引力波數十年后，經過改進的探測儀終于檢測到了引力波的確鑿證據，LIGO的科學家對此表示欣喜異常。這是天文學新時代的開端。但是他們也希望進一步改良檢測靈敏度，而完美的光學涂層似乎就是問題的關鍵。

    如Billingsley所說：“我們需要向化學家、材料科學家們求助，讓他們幫助我們制造更好的涂層，弄清楚在分子層面上這些薄膜起到的作用。”

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責任編輯：王元

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