Precis som en metersticka med hundratals bockmarkeringar kan användas för att mäta avstånd med stor precision, en enhet som kallas en laserfrekvenskam, med sina hundratals jämnt fördelade, skarpt definierade frekvenser, kan användas för att mäta ljusvågornas färger med stor precision.

Tillräckligt liten för att passa på ett chip, miniatyrversioner av dessa kammar - så kallade för att deras uppsättning av jämnt fördelade frekvenser liknar kammens tänder - möjliggör en ny generation atomur, en stor ökning av antalet signaler som färdas genom optiska fibrer, och förmågan att urskilja små frekvensförskjutningar i stjärnljus som antyder närvaron av osynliga planeter. Den senaste versionen av dessa chipbaserade "mikrokomber, " skapad av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of California i Santa Barbara (UCSB), är redo att ytterligare avancera tids- och frekvensmätningar genom att förbättra och utöka kapaciteten hos dessa små enheter.

I hjärtat av dessa frekvensmikrokammar ligger en optisk mikroresonator, en ringformad enhet ungefär lika bred som ett människohår där ljuset från en extern laser rasar runt tusentals gånger tills det bygger upp hög intensitet. Mikrokammar, ofta gjorda av glas eller kiselnitrid, kräver vanligtvis en förstärkare för det externa laserljuset, som kan göra kammen komplex, besvärlig och kostsam att producera.

NIST -forskarna och deras UCSB -medarbetare har visat att mikrokamrar skapade av halvledaren aluminium galliumarsenid har två väsentliga egenskaper som gör dem särskilt lovande. De nya kammarna arbetar med så låg effekt att de inte behöver en förstärkare, och de kan manipuleras för att producera en utomordentligt stabil uppsättning frekvenser – precis vad som behövs för att använda mikrochipskammen som ett känsligt verktyg för att mäta frekvenser med extraordinär precision. (Forskningen är en del av NIST on a Chip-programmet.)

Den nyutvecklade mikrokamteknologin kan hjälpa ingenjörer och forskare att göra precisionsmätningar av optiska frekvenser utanför laboratoriet, sa NIST-forskaren Gregory Moille. Dessutom, mikrokammen kan masstillverkas genom nanotillverkningstekniker liknande de som redan används för att tillverka mikroelektronik.

Forskarna vid UCSB ledde tidigare ansträngningar för att undersöka mikroresonatorer som består av aluminium galliumarsenid. Frekvenskammarna gjorda av dessa mikroresonatorer kräver bara en hundradel av kraften hos enheter tillverkade av andra material. Dock, forskarna hade inte kunnat visa en nyckelegenskap – att en diskret uppsättning orubbliga, eller mycket stabil, frekvenser skulle kunna genereras från en mikroresonator gjord av denna halvledare.

NIST-teamet tacklade problemet genom att placera mikroresonatorn i en anpassad kryogen apparat som gjorde det möjligt för forskarna att undersöka enheten vid temperaturer så låga som 4 grader över absolut noll. Lågtemperatur-experimentet avslöjade att interaktionen mellan värmen som genereras av laserljuset och ljuset som cirkulerar i mikroresonatorn var det enda hinder som hindrade enheten från att generera de mycket stabila frekvenser som behövs för framgångsrik drift.

Vid låga temperaturer, teamet visade att det kunde nå den så kallade solitonregimen – där individuella ljuspulser som aldrig ändrar form, frekvens eller hastighet cirkulerar inom mikroresonatorn. Forskarna beskriver sitt arbete i juninumret av Laser och fotonik recensioner .

Med sådana ensamma, alla tänder i frekvenskammen är i fas med varandra, så att de kan användas som en linjal för att mäta frekvenserna som används i optiska klockor, frekvenssyntes, eller laserbaserade avståndsmätningar.

Även om vissa nyligen utvecklade kryogena system är tillräckligt små för att de skulle kunna användas med den nya mikrokammen utanför laboratoriet, det slutliga målet är att använda enheten i rumstemperatur. De nya fynden visar att forskare antingen måste släcka eller helt undvika överhettning för att uppnå rumstemperatur.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.