Mikrokammar har vitt skilda användningsområden – de kan hjälpa oss att upptäcka planeter utanför vårt solsystem samt spåra sjukdomar i våra kroppar. Nya forskningsresultat vid Chalmers tekniska högskola ger nu en djupare förståelse för hur linjebredden i kammarna fungerar, något som bland annat kommer att möjliggöra ännu mer exakta mätningar i framtiden. Och upptäckten gjordes nästan av en slump.

En linjal gjord av ljus är den förenklade beskrivningen av en mikrokam. I korthet bygger principen på att en laser sänder ljus som cirkulerar inuti ett litet hålrum, en så kallad mikroresonator. Där delas ljuset upp i en mängd olika färger, eller frekvenser. Frekvenserna är exakt placerade, liknande markeringarna på en linjal.

Idag kan praktiskt taget alla optiska mätningar kopplas till ljusfrekvenser, och det ger mikrokamarna en uppsjö av olika användningsområden – allt från kalibreringsinstrument som mäter signaler på ljusårsavstånd, till att identifiera och hålla reda på vår hälsa via luften som vi andas ut.

Nya insikter om frekvenskammens linjer

"Laserfrekvenskammar har revolutionerat forskning som bygger på frekvensmetrologi", säger Victor Torres Company, professor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, MC2, vid Chalmers tekniska högskola.

En nyckelfråga när man arbetar med mikrokammar är hur smala frekvenskamlinjerna är. Den rådande uppfattningen fram till för några år sedan var att linjerna inte kan vara smalare än ingångsljuset från lasern. När forskare började undersöka detta mer på djupet upptäckte man att linjerna som ligger längre ut från lasern är lite bredare än de centralt placerade linjerna. Bullerkällor i mikroresonatorn ansågs vara orsaken till detta.

När Fuchuan Lei, forskare vid MC2, testade dessa teorier och körde experimenten med enheter tillverkade vid MC2 Nanofabrication Laboratory, upptäckte han att några av linjerna faktiskt var smalare än ljuset från själva laserkällan. Han spårade alla bruskällor som kan påverka linjebredden eller renheten på linjerna, upprepade experimenten och fortsatte att få samma resultat.

En ny teori på plats

"Vi förstod inte varför men baserat på dessa resultat utvecklade vi en teoretisk modell som förklarade vad som hände, gjorde simuleringar och bekräftade via experiment att vår modell var korrekt", säger Victor Torres Company. "Tidigare var det inte klart hur de olika brusmekanismerna skulle påverka linjebredden på kamlinjerna i mikrokammen."

"Först trodde vi att något måste vara fel, men när vi väl hade vår teori på plats var allt klart", säger Fuchuan Lei.

Hur smala markeringarna är i en mikrokam har stor betydelse för hur den kan användas. En mikrokam med smalt placerade markeringar möjliggör ännu mer exakta mätningar, och därför är förståelsen för varför linjerna är smalare en nyckelfråga i utvecklingen av mikrokammar. Victor Torres Company jämför det med linjaler gjorda av olika typer av material.

Möjligt att mäta mer exakt

"Föreställ dig att du skulle rita markörer med lite krita kontra om du skulle göra det med en penna. Du kan definiera ett rutnät, du kan definiera avståndet, men med en penna kan du mäta mer exakt för då har du din linjal med mycket bra- definierade märken", säger han.

Vad som ursprungligen var en intressant kuriosa som upptäcktes av forskarna kom att avslöja de fysiska mekanismerna för vad som gör att linjerna i mikrokammen varierar i linjebredd.

"Tack vare vår forskning och publicering kommer de som arbetar med designen av den här typen av enheter att förstå hur de olika bruskällorna påverkar de olika parametrarna och mikrokammens prestanda", säger Victor Torres Company.

Artikeln "Optical linewidth of soliton microcombs" publicerades i Nature Communications . + Utforska vidare

Ny mikrokam kan hjälpa till att upptäcka exoplaneter och upptäcka sjukdomar