I naturen, som i vardagen, vi är omgivna av resonans – fenomenet som beskriver hur varje objekt har en frekvens som det föredrar att vibrera vid. Tonen av en gitarrsträng och ljudet av Big Ben-klang är exempel på resonans.

Vibrationer nära resonans orsakar kraftiga stötar. Broar kollapsar om soldater marscherar unisont; ett barn kan "skjuta" sig själv på en gunga genom att röra sina ben i rätt hastighet, och två pendelklockor på samma bord synkroniseras. Dessa exempel visar den ökade känsligheten som ges till ett objekt när det förses med energi vid en specifik (dvs. Resonans frekvens. Det är då inte konstigt att fysiker och ingenjörer alltid letar efter sätt att använda resonans för att utlösa användbara effekter och starka svar genom att applicera den minsta mängden energi.

Nu, ett team av fysiker från University of Bath har hittat ett sätt att använda resonans för att utnyttja ljusets energi mer effektivt inuti strukturer som kallas mikroresonatorer. För ljus, mikroresonatorer fungerar som miniatyrbanor, med fotoner som zippar runt cirkeln i slingor. Ljus består av fotoner i olika färger, med varje färg som motsvarar vågor som svänger vid specifika våglängder och frekvenser. Om dessa vågors toppar når samma punkt efter att en hel slinga har gjorts runt resonatorn, då når resonatorns energilagringskapacitet ett maximum när det mäts mot frekvens. Med andra ord, resonatorn och ljuset inuti kommer till resonans.

Resonatorns förmåga att lagra energi kännetecknas av resonans skärpa, även kallad finess.

Fysiker är fångade i ett lopp för att maximera resonatorernas finesser, för att lagra så mycket energi som möjligt i en enda resonator. Anledningen till detta är inte bara skryt. När hög ljusenergi cirkulerar i en resonator, det börjar avslöja intressanta egenskaper. Till exempel, resonatorn börjar producera fotoner av ljus med nya frekvenser och därför av olika färger.

En nyskapad regnbåge av färger är känd som en frekvenskam. En kams många användbara egenskaper ledde till att forskare arbetade med "den optiska frekvenskammningstekniken" vann Nobelpriset i fysik 2005. Till skillnad från en himmelsregnbåge, den som skapas i en resonator visar inte ett kontinuerligt spektrum av färger. Istället, den innehåller ett vanligt och lika fördelat mönster av färger, liknar tänderna på en kam. Regelbundenhet hos dessa tänder gör att dessa kammar kan användas för ultraexakta mätningar – till exempel, av avstånd och tid.

University of Bath-studien har funnit att det inte är de enda skälen till att högfina mikroresonatorer är viktiga att öka styrkan hos interaktioner med lätt materia för att göra frekvenskammar. Om finess är relativt liten, sedan avstämning av en laser runt en av resonanserna får en given kamtand att justera sin färg kontinuerligt. Nå finesser på flera tusen och upp till tiotusentals, dock, börjar bryta denna kontinuitet.

När kontinuiteten bryts, en laser som är inställd för att generera ett par fotoner med två specifika färger kommer att behöva passera genom "tomgångsintervallet" innan nästa färg antänds. Under detta intervall, det kan inte göras om till nya färger.

På resonansteorins språk, intervallskapandet kallas Arnoldtungor. Arnold -tungor är ett fenomen som ofta finns i nätverk av oscillatorer. Neuronerna i våra hjärnor arbetar enligt Arnold-tungornas regler för att synkronisera överföringen av signaler.

Mikroresonatortungorna som rapporterades i Bath-studien representerar en karta över de smala tungliknande strukturerna som visar hur laserparametrar bör ställas in för att antingen generera eller inte generera nya färger.

Fotonpargenereringsprocessen är ett nyckelfenomen som ligger till grund för utvecklingen av avstämbara ljuskällor för olika applikationer, och i synnerhet för optisk databehandling och överföring. Att upptäcka sambandet mellan generering av fotonpar och Arnold-tungor förväntas öka effektiviteten i denna process. Ytterligare ökning av finheter är möjlig genom att frysa mikroresonatorerna till en temperatur där molekylerna den är gjorda av slutar vibrera. Detta förväntas utlösa nya sätt att manipulera fotoner, och Bath-teamet planerar att studera dessa härnäst.

Professor Dmitry Skryabin från Baths centrum för fotonik och fotoniskt material, och ledande forskare i denna studie, sa, "Sedan Nobelpriset 2005, kamtekniken har snabbt minskat till storleken på datorchips. Detta innebär att miniatyriserade frekvenskamgeneratorer kan ha myriader av olika tillämpningar i till exempel föroreningsövervakning, radarteknik, och upptäckt av nya planeter."