Noggrant mätning av ljusfrekvenser krävs för tidtagning. Det är också en kritisk komponent i många vetenskapliga experiment och teknologier, från militärt försvar till att upptäcka luftföroreningar, tester av fundamental fysik för att upptäcka exoplaneter. "Det finns få mänskliga företag som är både mer grundläggande och viktigare för teknik, " säger Curtis Menyuk, professor i datavetenskap och elektroteknik vid UMBC.
Sedan dess uppfinning år 2000, en speciell mätanordning som kallas en optisk frekvenskam har dykt upp som ett kraftfullt verktyg för att slutföra dessa mätningar. En frekvenskam består av många regelbundet åtskilda frekvenser som är som tänderna i en kam. Dessa tänder fungerar som linjerna i en linjal, gör det möjligt att mäta frekvenser med oöverträffad noggrannhet och hastighet. Frekvenskammar har visat sig vara så viktiga att hälften av Nobelpriset i fysik 2005 tilldelades John Hall och Theodor Hänsch för att de utvecklat dem och visat deras användbarhet.
Dock, "En svårighet med de flesta kamsystem är att de kräver dyra, laserbaserad utrustning, " säger Menyuk. År 2009, en forskargrupp i Schweiz visade att det är möjligt att använda små millimeterstora resonatorer, kallas mikroresonatorer, för att generera frekvenskammar. Det ledde till en världsomspännande ansträngning att utveckla dessa kammar för applikationer. I USA, denna insats har stöttats av NSF, NASA, och DARPA.
Dock, denna ansträngning har ställts inför betydande utmaningar, för. En utmaning är att kraften hos varje "tand" i kammen är för svag utan betydande förstärkning, som kräver en stor, externt system. En annan utmaning är att skapa kammen i första hand, "vilket återigen kräver ett utarbetat startsystem, " Menyuk förklarar. "Som ett resultat, systemet är inte kompakt, som motverkar syftet med att använda mikroresonatorer."
Ett nytt papper in Optica , medförfattare av Menyuk, hans doktorand Zhen Qi, och deras kollegor vid Technological University of Pereira och Purdue University, beskriva ett tillvägagångssätt som potentiellt kan lösa båda dessa problem med hjälp av nya ljusvågformer.
Alla frekvenskamsystem har hittills använt speciella ljusvågor som kallas solitoner, som Menyuk har studerat i mer än trettio år. Han, Qi, och deras medförfattare föreslog att ovanliga ljusformer som kallas knoidala vågor eller Turing-rullar är bättre anpassade än solitoner till den lilla storleken på mikroresonatorerna. De demonstrerade teoretiskt att kammar som använder dessa vågformer kan erhållas genom att bara slå på strömkällan för mikroresonatorn, till skillnad från solitonkammar, och ger mycket kraftfullare kamtänder – vilket skulle lösa båda de stora utmaningarna som försämrar utvecklingen av mikroresonatorer.
"Den framgångsrika utvecklingen av kompakt, on-chip frekvenskammar kommer att avsevärt utöka utbudet av applikationer för frekvenskammar, Menyuk säger. de skulle avsevärt öka den snabbhet med vilken data kan synkroniseras över avstånd, möjliggör applikationer som vi just nu bara kan föreställa oss."
