Le plus grand miroir en silicium monocristallin au monde produit pour l’Einstein Telescope

Avec ses 45 centimètres de diamètre et ses quelques 80 kilogrammes, le miroir en silicium monocristallin, qui rejoindra le laboratoire ET-CRISTAL situé à Liège, est le plus grand jamais fabriqué au monde. Poli en Wallonie par la société AMOS dans le cadre du projet ERC SILENT de Christophe Collette (Université de Liège), il prépare les technologies du futur télescope Einstein, le détecteur d’ondes gravitationnelles de nouvelle génération.

Il y a plus de cinq ans, une commande ambitieuse était lancée par Prof. Christophe Collette, ingénieur en aérospatiale à l’Université de Liège et qui consistait en la conception et la fabrication d’un miroir en silicium monocristallin de très grandes dimensions, destiné à repousser les limites des technologies optiques pour la recherche fondamentale. “Le lingot brut a été produit par une société américaine spécialisée, fournisseur de machines destinées à la croissance de cristaux de silicium, explique le chercheur, avant d’être confié à la société AMOS pour l’usinage et le polissage.”

Cette collaboration aboutit aujourd’hui à une réalisation exceptionnelle : un miroir de 45 centimètres de diamètre, pesant environ 80 kilos, dont la rugosité résiduelle après polissage est de l’ordre du nanomètre, soit des irrégularités de surface un million de fois plus petites qu’un millimètre !

Le diamètre de 45 centimètres est en soi remarquable, car obtenir un monocristal de silicium de cette taille – sans défaut ni joint de grain-  se situe à la limite de ce que les procédés de croissance cristalline permettent aujourd’hui. Cette pièce constitue donc le plus grand miroir en silicium monocristallin réalisé à ce jour ! Si ses performances ne répondent pas encore à l’ensemble des spécifications visées pour le futur télescope Einstein, elles représentent l’état de l’art le plus proche de ces exigences.

Transformer un lingot en miroir

Tout commence par un lingot de silicium monocristallin, un cylindre massif issu d’un unique cristal, tiré très lentement d’un bain de silicium en fusion. Cette croissance cristalline a été réalisée par une société américaine spécialisée dans la fabrication de machines dédiées à ce type d’application. A ce jour, très peu d’acteurs sont capablesde produire des monocristaux de silicium de ce diamètre. À cette échelle, la moindre impureté ou dislocation compromettrait l’homogénéité du cristal, c’est ce qui rend un monocristal de 45 centimètres de diamètre si rare.

Une fois le lingot livré en Belgique, l’usinage a été confié à la société AMOS, spin-off de l’Université de Liège. Le silicium est un matériau dur mais fragile, qui ne pardonne aucune erreur, un effort mal maîtrisé aurait suffit à le fissurer.

“Le lingot a d’abord été découpé puis mis en forme par usinage à l’aide d’outils diamantés, seuls capables d’entamer le cristal, explique Philippe Klinkenberg, Responsable de la fabrication des composants optiques chez AMOS. Ont suivi de longues phases de rodage et de polissage, au cours desquelles des abrasifs de plus en plus fins ont effacé progressivement les micro-dommages laissés sous la surface par les étapes précédentes. Chaque passe a été contrôlée par métrologie optique de haute précision, jusqu’à atteindre une rugosité résiduelle de l’ordre du nanomètre.”

Au total, il aura fallu six mois d’usinage et de polissage pour transformer le lingot brut en miroir de précision.

Le miroir rejoindra le nouveau laboratoire ET-CRISTAL (CRyogenic and Inertial STAbility Lab) à la fin de l’année. Implanté dans les nouveaux bâtiments du Centre Spatial de Liège (CSL) – afin de bénéficier de l’expertise du CSL en cryogénie et en salle blanche – le laboratoire hébergera une cuve à vide supplémentaire de trois mètres de diamètre, dans laquelle sera installé le prototype E-TEST pour des développements complémentaires. Le miroir y servira de plateforme expérimentale pour le développement et la validation des technologies destinées aux détecteurs gravitationnels de nouvelle génération et, à terme, à l’Einstein Telescope.