Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Пробные массы интерферометрических гравитационно-волновых детекторов следующего поколения предлагается изготавливать из монокристаллического кремния. Предполагает-ся, что они будут охлаждаться до температуры 123 К. Кремний является материалом с низкими механическими и оптическими потерями, промышленность может изготавливать образцы кремния весом более 100 кг. При температуре около 123 К коэффициент теплового расширения кремния проходит через нуль, а следовательно, устраняются термоупругие потери и связанный с ними тепловой шум пробных масс. Предлагается подвешивать пробные массы как маятники на полосках, также изготовляемых из монокристаллического кремния. Соединение пробных масс с лентами должно иметь минимальный уровень механических потерь для того, чтобы тепловой шум, обусловленный этими потерями, не превосходил заданный уровень. В плане разработки таких подвесов были выполнены следующие работы : 1) В лаборатории физического факультета МГУ были изготовлены кремниевые ленты или полоски из стандартных кремниевых пластин (вайферов), используя технику фотолитографии и метод щелочного анизотропного химического травления. 2) Из этих кремниевых пластинок изготовлялись механические резонаторы камертонного типа. Камертон представлял собой конструкцию, состоящую из трех пластинок, соединенных методом «гидроксильного каталитического соединения». Поскольку технология такого соединения требует наличия специального оборудования и чистой комнаты, то соединение осуществлялось в лаборатории университета г. Глазго (Шотландия) с участием ученых МГУ. Научная группа физического факультета МГУ имеет партнерские отношения с коллегами из этого университета. 3) Измерение механических потерь в изготовленных таким образом камертонных осцилляторах выполнялись в лаборатории физического факультета МГУ. Измерения проводились в специально созданной экспериментальной установке, представляющей собой охлаждаемую вакуумную камеру, которая позволяла проводить измерения в диапазоне температур 95 – 295 К в вакууме около 10^(-6) Торр. В результате проведенных экспериментальных исследований потерь в таких механических осцилляторах камертонного типа, а также численного моделирования процесса их деформирования при колебаниях, была впервые получена верхняя граница значения угла механических потерь в соединениях тонких кремниевых полос методом «гидроксильного каталитического соединения» в диапазоне температур 95 -295 К. Оно составило (5 ±2) x10^ (-3) при температуре 123 К. Предварительные расчеты спектральной плотности теплового шума, связанного с диссипативными процессами в соединениях элементов подвеса кремниевых пробных масс, показали, что при полученном значении угла механических потерь в гидроксильном каталитическом соединении его вклад в полный шум смещения пробных масс удовлетворяет необходимым требованиям. См.: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960117302359 4) Выполнены тестовые оценки сейсмического фона на относительно коротких временах в трех опорных пунктах тоннеля главной штольни БНО РАН (отметки 300 м, 1500 м, 3800 м). Выполнены расчеты спектра грави-градиентного ньютоновского шума по этим данным для указанных трех зон, которые показывают относительно низкую шумность сайта БНО РАН и его пригодность для размещения гравитационных детекторов третьего поколения. 5) Выполнены эксперименты по охлаждению модельных резонаторов с зеркалами на подложках из различных материалов. Проведены предварительные измерения эволюции оптических свойств зеркал на подложках из флюорида кальция в процессе охлаждения до 5 К. Доказана пригодность этого типа зеркал для гравитационных детекторов третьего поколения. 6) Для гравитационно-волновых интерферометров разработаны адаптивные алгоритмы и критерии обнаружения полезного сигнала на фоне негауссовых шумов, эффективно повышающие вероятность обнаружения сигнала за счет отбрасывания большого объема неинформативных данных. 7) Определены условия параметрической неустойчивости в гравитационно-волновых интерферометрах нового поколения с пробными массами из сапфира и кремния: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960117301871 8) Проведено детальное исследование тепловых шумов в отражательных дифракционных решетках и найдены оптимальные размеры элементов решетки, при которых тепловые шумы минимальны: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.96.022002

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1) Для подвешивания кремниевых пробных масс будущих криогенных гравитационно-волновых детекторов предполагается использовать кремниевые полоски, изготовляемые из тонких кремниевых пластин (вайферов) методом анизотропного химического травления. Соединение элементов подвеса должно обладать малыми механическими потерями, чтобы не создавать дополнительный тепловой шум, заметно ограничивающий чувствительность детектора. С этой целью проведено исследование механических потерь в соединениях кремниевых элементов, использующих метод «прямого сращивания» или «оптического контакта», являющийся альтернативой методу «гидроксильного каталитического соединения». При рабочей температуре детектора 123 К потери в соединении, полученном методом «прямого сращивания» кремниевых пластин, оказались примерно в 10 раз выше, чем наименьшие потери в соединении, полученном методом «гидроксильного каталитического соединения». Тем не менее, метод прямого сращивания будет полезным при проведении предварительных экспериментальных исследований подвесов пробных масс, поскольку он обеспечивает относительно малый уровень потерь в соединении, но в отличие от метода «гидроксильного каталитического соединения» допускает разъединение соединенных элементов кремниевых подвесов без их разрушения. 2) Для поддержания рабочей температуры пробных масс будущих криогенных гравитационно-волновых детекторов в условиях, когда оптическое излучение с мощностью до 3 МВт циркулирует в плечах интерферометра, необходимый теплоотвод может быть достигнут, если боковая поверхность пробных масс будет покрыта материалом с высокой степенью черноты, близкой к единице. При этом допускается незначительное увеличение шума пробных масс. В плане решения этой задачи проведено измерение температурной зависимости (в диапазоне температур от 100 до 295 К) механических потерь в покрытии кремниевых пластин, выполненном из углеродных нанотрубок. На основании полученных экспериментальных данных о потерях в покрытии был проведен расчетов шума смещения пробной массы проекта LIGO-Voyager, обусловленного наличием поглощающего покрытия. Было показано, что дополнительный тепловой шум, обусловленный диссипацией в покрытии, вносит допустимый вклад в полный шум пробных масс. 3) Мы продемонстрировали рекордную добротность в микрорезонаторах из кристаллического кремния, свыше миллиарда. Благодаря оригинальному способу обработки поверхности, была достигнута в сто раз большая добротность. Предложен новый полусферический элемент связи. Эти достижения открывают новые возможности на пути к кремниевой фотонике на основе микрорезонаторов с модами шепчущей галереи. 4) Закончена установка приборного геофизического комплекса в штольне БНО ИЯИ РАН адаптированного к работе в автоматическом режиме. Комплекс включает два сейсмометра, два наклономера и один приливной гравиметр. 5) Разработаны алгоритмы обнаружения слабых астрофизических сигналов на фоне случайных квази детерминированных помех с временной чирп-структурой ГВ излучения, порождаемого слияниями релятивистских двойных (нейтронных звезд и черных дыр) 6) Проведены эксперименты с оптическим эталоном Фабри-Перо в интервале температур от 300 0K до 10 0K. при мощностях облучения 10-450 Вт. Получены сравнительные экспериментальные характеристики для подложек из ситалла, сапфира, флюорида кальция. Показано преимущество зеркал на подложках флюорида кальция. 7) Проведен дальнейший анализ нежелательного эффекта параметрической и предложены методы его преодоления неустойчивости в лазерных гравитационно-волновых антеннах. Представлен детальный анализ тепловых шумов светоделителя лазерной интерферометрической гравитационно-волновой антенны в общий бюджет шумов. Проведен детальный анализ нелинейностей в оптомеханической системе.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1) Для контроля положения кремниевых пробных масс – зеркал в будущих криогенных интерферометрических гравитационно-волновых детекторах предполагается использовать электростатические актюаторы. Электрическое поле актюатора является источником дополнительной диссипации, вносимой в колебания пробной массы, а, следовательно, и дополнительного теплового шума. Для изучения механизмов такой диссипации был создан прототип на основе механического резонатора дисковой формы, изготовленного из кремния, рядом с которым устанавливались электроды актюатора. В результате проведенного теоретического анализа и экспериментальных исследований была установлена связь между удельным сопротивлением кремния, определяемым примесями и рабочей температурой, и затуханием, вносимым в механический резонатор электрическим полем. Результаты проведенных исследований позволяют установить требования к конструкции и параметрам электростатических актюаторов, использующихся для контроля положения кремниевых пробных масс. 2) Закончена установка приборного геофизического комплекса в штольне БНО ИЯИ РАН адаптированного к работе в автоматическом режиме. Комплекс включает два сейсмометра, два наклономера и один приливной гравиметр. Измерены спектры сейсмо-гравитационных шумов по длине штольни. 3) Разработаны алгоритмы обнаружения слабых астрофизических сигналов на фоне случайных квази детерминированных помех с временной чирп-структурой ГВ излучения, порождаемого слияниями релятивистских двойных (нейтронных звезд и черных дыр) Даны оценки эффективности планируемой евроазиатской сети лазерных ГВ интерферометров с центром в Новосибирске. 4) Проведены эксперименты с оптическим эталоном Фабри-Перо в интервале температур от 300 0K до 10 0K. при мощностях облучения 10-450 Вт. Получены сравнительные экспериментальные характеристики для подложек из ситалла, сапфира, флюорида кальция. Показано преимущество зеркал на подложках флюорида кальция. 5) Проведен дальнейший анализ метода преодоления нежелательного эффекта параметрической в лазерных гравитационно-волновых антеннах. 6) Мы показали, что в оптомеханической системе с диссипативной связью возможна устойчивая оптическая жесткость. Это позволяет преодолеть стандартный квантовый предел.