På omslaget till Pink Floyd-albumet Dark Side of the Moon, ett prisma delar upp en ljusstråle i alla regnbågens färger. Detta mångfärgade medley, som har sin uppkomst tack vare det faktum att ljus färdas som en våg, gömmer sig nästan alltid i sikte; ett prisma avslöjar helt enkelt att det fanns där. Till exempel, solljus är en blandning av många olika färger av ljus, var och en guppar upp och ner med sin egen karakteristiska frekvens. Men tillsammans smälter färgerna samman till ett enhetligt gulaktigt sken.

Ett prisma, eller något liknande, kan också ångra denna uppdelning, blanda tillbaka en regnbåge till en enda stråle. Tillbaka i slutet av 1970-talet, forskare kom på hur man genererar många färger av ljus, jämnt fördelade i frekvens, och blanda ihop dem – en skapelse som blev känd som en frekvenskam på grund av det taggiga sättet frekvenserna liknar tänderna på en kam. De överlappade också toppen av de olika frekvenserna på ett ställe, får färgerna att mötas för att bilda korta ljuspulser snarare än en kontinuerlig stråle.

När frekvenskamteknologin utvecklades, forskare insåg att de kunde möjliggöra ny laboratorieutveckling, t.ex. ultraexakta optiska atomklockor, och 2005 hade frekvenskammar gett två forskare en del av Nobelpriset i fysik. Dessa dagar, frekvenskammar finner användning i modern teknik, genom att hjälpa självkörande bilar att "se" och låta optiska fibrer sända många kanaler med information samtidigt, bland andra.

Nu, ett samarbete mellan forskare vid University of Maryland (UMD) har föreslagit ett sätt att göra frekvenskammar i chipstorlek tio gånger mer effektiva genom att utnyttja topologins kraft – ett område av abstrakt matematik som ligger till grund för några av de mest säregna beteendena hos moderna material . Laget, leds av JQI Fellows Mohammad Hafezi och Kartik Srinivasan, liksom Yanne Chembo, en docent i elektro- och datateknik vid UMD och medlem av Institutet för forskning inom elektronik och tillämpad fysik, publicerade nyligen sitt resultat i tidskriften Naturfysik .

"Topologi har dykt upp som en ny designprincip inom optik under det senaste decenniet, " säger Hafezi, "och det har lett till många spännande nya fenomen, några utan elektronisk motsvarighet. Det skulle vara fascinerande om man också hittar en tillämpning av dessa idéer."

Små chips som kan generera en frekvenskam har funnits i nästan femton år. De tillverkas med hjälp av mikroringresonatorer — cirklar av material som sitter ovanpå ett chip och leder ljus runt i en slinga. Dessa cirklar är vanligtvis gjorda av en kiselförening som är 10 till 100 mikron i diameter och tryckt direkt på ett kretskort.

Ljus kan skickas in i mikroringen från en intilliggande bit kiselblandning, deponeras i en rak linje i närheten. Om ljusets frekvens matchar en av resonatorns naturliga frekvenser, ljuset kommer att gå runt och runt tusentals gånger – eller resonera – och bygga upp ljusintensiteten i ringen innan det läcker tillbaka ut i det raka spåret.

Att cirkla runt tusentals gånger ger ljuset många chanser att interagera med kiseln (eller annan förening) det färdas genom. Denna interaktion gör att andra ljusfärger dyker upp, skild från färgen som skickas in i resonatorn. Vissa av dessa färger kommer också att resonera, gå runt och runt cirkeln och bygga upp kraft. Dessa resonansfärger har jämnt fördelade frekvenser – de motsvarar våglängder av ljus som är en heltalsfraktion av ringens omkrets, vikas snyggt in i cirkeln och tvingar frekvenserna att bilda tänderna på en kam. Med exakt rätt ingångseffekt och färg, toppen av alla färger överlappar automatiskt, gör en stabil kam. De jämnt fördelade färgerna som utgör kammen går samman för att bilda en enda, smal ljuspuls som cirkulerar runt ringen.

"Om du ställer in effekten och frekvensen för ljuset som går in i resonatorn så att det blir helt rätt, magiskt vid utgången får du dessa ljuspulser, säger Sunil Mittal, en postdoktor vid JQI och huvudförfattaren till artikeln.

On-chip frekvenskammar möjliggör kompakta applikationer. Till exempel, Ljusdetektion och avståndsintervall (LIDAR) gör att självkörande bilar kan upptäcka vad som finns runt dem genom att studsa korta ljuspulser som produceras av en frekvenskam från omgivningen. När pulsen kommer tillbaka till bilen, den jämförs med en annan frekvenskam för att få en exakt karta över omgivningen. Inom telekommunikation, kammar kan användas för att överföra mer information i en optisk fiber genom att skriva olika data på var och en av kamtänderna med en teknik som kallas våglängdsmultiplexering (WDM).

Men frekvenskammar i chipskala har också sina begränsningar. I en mikroring, den del av kraften som kan omvandlas från ingången till en kam vid utgången – lägeseffektiviteten – är i grunden begränsad till endast 5 procent.

Mittal, Hafezi, och deras medarbetare har tidigare banat väg för en mikroringarray med inbyggt topologiskt skydd, och använde den för att leverera enstaka fotoner på begäran och generera hoptrasslade fotoner på beställning. De undrade om en liknande uppställning - ett kvadratiskt gitter av mikroringresonatorer med extra "länk"-ringar - också kunde anpassas för att förbättra frekvenskamteknologin.

I den här inställningen, mikroringarna längs ytterkanten av gittret skiljer sig från alla ringar i mitten. Ljus som skickas in i gallret tillbringar det mesta av sin tid längs denna yttre kant och, på grund av de topologiska begränsningarnas natur, det sprider sig inte in i mitten. Forskarna kallar denna yttre cirkel av mikroringar för en superring.

Teamet hoppades hitta magiska förhållanden som skulle bilda en frekvenskam i pulserna som cirkulerar runt superringen. Men det här är knepigt:Var och en av ringarna i gittret kan ha sin egen ljuspuls som cirkulerar runt och runt. För att få en stor ljuspuls att gå runt superringen, pulserna inom varje mikroring skulle behöva arbeta tillsammans, synkroniseras för att bilda en total puls som går runt hela gränsen.

Mittal och hans medarbetare visste inte vid vilken frekvens eller kraft detta skulle hända, eller om det överhuvudtaget skulle fungera. Att lista ut det, Mittal skrev datorkod för att simulera hur ljus skulle passera 12 x 12 ringgittret. Till lagets förvåning, inte bara hittade de parametrar som gjorde att mikroringpulserna synkroniserades till en superringpuls, men de fann också att effektiviteten var en faktor tio högre än vad som är möjligt för en enkelringskam.

Denna förbättring beror allt på samarbetet mellan mikroringar. Simuleringen visade att kammens tänder var åtskilda i enlighet med storleken på individuella mikroringar, eller våglängder som viker sig snyggt runt den lilla cirkeln. Men om du zoomade in på någon av de enskilda tänderna, du skulle se att de verkligen var uppdelade i mindre, finare undertänder, motsvarande storleken på superringen. Enkelt uttryckt, det inkommande ljuset kopplades med några procents effektivitet till var och en av dessa extra undertänder, så att den sammanlagda effektiviteten når över 50 procent.

Teamet arbetar med en experimentell demonstration av denna topologiska frekvenskam. Med hjälp av simuleringar, de kunde peka ut kiselnitrid som ett lovande material för mikroringarna, samt ta reda på vilken frekvens och kraft av ljus som ska sändas in. De tror att konstruktionen av deras supereffektiva frekvenskam bör vara inom räckhåll för nuvarande toppmoderna experimentella tekniker.

Om en sådan kam byggs, det kan bli viktigt för den framtida utvecklingen av flera nyckelteknologier. Den högre effektiviteten kan gynna applikationer som LIDAR i självkörande bilar eller kompakta optiska klockor. Dessutom, förekomsten av fint fördelade undertänder runt varje enskild tand kan, till exempel, hjälper också till att lägga till fler informationskanaler i en WDM-sändare.

Och laget hoppas att detta bara är början. "Det kan finnas många applikationer som vi inte ens känner till ännu, ", säger Mittal. "Vi hoppas att det kommer mycket fler ansökningar och att fler kommer att vara intresserade av det här tillvägagångssättet."