Progress in the measurement and reduction of thermal noise in optical coatings for gravitational-wave detectors
M. Granata, A. Amato, G. Cagnoli, M. Coulon, J. Degallaix, D. Forest, L. Mereni, C. Michel, L. Pinard, B. Sassolas, J. Teillon
Abstract
Coating thermal noise is a fundamental limit for precision experiments based on optical and quantum transducers. In this review, after a brief overview of the techniques for coating thermal noise measurements, we present the latest worldwide research activity on low-noise coatings, with a focus on the results obtained at the Laboratoire des Matériaux Avancés. We report new updated values for the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> coatings of the Advanced LIGO, Advanced Virgo, and KAGRA detectors, and new results from sputtered <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Z</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , and silicon nitride coatings. Amorphous silicon, crystalline coatings, high-temperature deposition, multi-material coatings, and composite layers are also briefly discussed, together with the latest developments in structural analyses and models.