Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de peine de frecuencia que promete mejorar la precisión del cronometraje

Los dispositivos basados ​​en chips conocidos como peines de frecuencia, que miden la frecuencia de las ondas de luz con una precisión incomparable, han revolucionado la medición del tiempo, la detección de planetas fuera de nuestro sistema solar y las comunicaciones ópticas de alta velocidad.

Ahora, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colaboradores han desarrollado una nueva forma de crear peines que promete mejorar su ya notable precisión y permitirles medir la luz en un rango de frecuencias antes inaccesible. El rango ampliado permitirá que los peines de frecuencia examinen células y otros materiales biológicos.

Investigadores Describir Su trabajo en Fotónica de la naturaleza. El equipo incluye a François Liu y colegas de la Universidad Libre de Bruselas en Bélgica, Julien Fatome de la Universidad de Bourgogne en Dijon, Francia, y científicos del Joint Quantum Institute, una asociación de investigación entre el NIST y la Universidad de Maryland.

Los nuevos dispositivos, fabricados en un pequeño chip de vidrio, funcionan de una manera radicalmente diferente a los peines de frecuencia basados ​​en chips anteriores, también conocidos como micropeines.

El peine de frecuencia actúa como regla para la luz. Así como las marcas de almohadilla regularmente espaciadas en una regla regular miden la longitud de los objetos, los picos de frecuencia regularmente espaciados en un pequeño peine miden las oscilaciones o frecuencias de las ondas de luz.

Los investigadores suelen utilizar tres elementos para construir un peine pequeño: un único láser, conocido como láser de bomba; Un pequeño resonador en forma de anillo, que es el elemento más importante; Una guía de ondas en miniatura transmite luz entre los dos. La luz láser inyectada en la guía de ondas ingresa al resonador y gira alrededor del anillo. Al ajustar cuidadosamente la frecuencia del láser, la luz dentro del anillo puede convertirse en un solitón, un pulso de onda única que mantiene su forma a medida que se mueve.

Cada vez que el solitón completa un viaje de ida y vuelta alrededor del anillo, parte del pulso se rompe y entra en la guía de ondas. Pronto, un tren completo de pulsos estrechos, en forma de picos, llena la guía de ondas, con cada pico separado en el tiempo por el mismo intervalo fijo, el tiempo que le toma a un solitón completar un ciclo. Los picos corresponden a un conjunto de frecuencias espaciadas uniformemente y forman las marcas o «dientes» del peine de frecuencias.

Este método de generar un peine pequeño, aunque eficaz, sólo puede producir peines con un rango de frecuencias centrado en la frecuencia del láser de bombeo. Para superar esta limitación, los investigadores Gregory Moyle y Kartik Srinivasan, en colaboración con un equipo internacional de investigadores dirigido por Miro Erkentalo de la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda y el Centro Dodd-Walls de Tecnologías Fotónicas y Cuánticas, predijeron teóricamente y luego demostraron experimentalmente una Nuevo proceso para producir un pequeño peine de solitón.

En lugar de utilizar un solo láser, el nuevo método utiliza dos bombas láser, cada una de las cuales emite luz a una frecuencia diferente. La compleja interacción entre las dos frecuencias produce un solitón cuya frecuencia central se encuentra exactamente entre los dos colores del láser.

Este método permite a los científicos generar peines con nuevas propiedades en un rango de frecuencia que ya no está limitado por las bombas láser. Al generar peines que cubren un rango de frecuencias diferente, en comparación con un láser de bomba inyectado, los dispositivos podrían, por ejemplo, permitir a los científicos estudiar la estructura de compuestos biológicos.

Más allá de esta ventaja práctica, la física subyacente a este nuevo tipo de micropeine, conocido como micropeine guiado paramétricamente, puede conducir a otros avances importantes. Un ejemplo de esto es la posible mejora del ruido asociado con los dientes individuales de un peine pequeño.

En un peine de un solo láser, el láser de bombeo esculpe directamente solo el diente central. Como resultado, los dientes se vuelven más anchos a medida que se alejan del centro del peine. Esto no es deseable porque los dientes más anchos no pueden medir frecuencias con tanta precisión como los dientes más estrechos.

En el nuevo sistema de peine, dos bombas láser dan forma a cada diente. Según la teoría, esto debería dar como resultado un conjunto de dientes igualmente estrechos, lo que mejoraría la precisión de las mediciones. Los investigadores ahora están probando si esta predicción teórica se cumple para los micropeines que han fabricado.

El sistema láser de diodo ofrece otra ventaja potencial: produce solitones de dos tipos, que pueden compararse con un signo positivo o negativo. Que un solitón particular sea negativo o positivo es puramente aleatorio porque surge de las propiedades cuánticas de la interacción entre los dos láseres.

Esto puede permitir que los solitones formen un generador de números aleatorios perfecto, que desempeña un papel clave en la generación de códigos criptográficos seguros y en la resolución de algunos problemas estadísticos y cuánticos que serían imposibles de resolver con una computadora no cuántica normal.

Esta historia se vuelve a publicar con permiso del NIST. Leer la historia original aquí.