用于引力波探测器的二氧化硅薄膜的弹性与结构各向异性

引力波探测器镜面涂层的热噪声关键取决于组成材料的弹性性质。数据分析与理论模型通常假设每种材料都是均匀且各向同性的，但各向同性从未得到明确验证。利用布里渊光散射（BLS），我们首次证明了离子束溅射 SiO2——一种仍可用于未来镜面涂层的材料——表现出圆柱形弹性对称性，其面内各向同性，但沿薄膜法线方向具有 6% 的显著压缩各向异性。在地面探测器目前使用的沉积后热处理条件（500 $^\circ$C，10 小时）下，该各向异性保持不变，但在 900 $^\circ$C 时几乎被消除。红外反射率实验通过直接揭示沿生长轴的桥氧与非桥氧结构分布的不均匀性，支持了这些发现。虽然 BLS 测量的是 GHz 频率下弹性常数的实部，但数据显示在 kHz-GHz 范围内机械弛豫的贡献微乎其微，这使得 BLS 成为替代标准各向异性不敏感技术所获低频性质的有效方法。我们的结果强调，通过热处理恢复各向同性——通过软化材料、实现超过 7% 的面外膨胀以及平滑结构不均匀性——可能在降低热噪声方面发挥关键作用。这项概念验证研究不仅限于二氧化硅，为未来涂层的设计提供了关键见解。