Chipbaserade enheter som kallas frekvenskammar, som mäter frekvensen av ljusvågor med oöverträffad precision, har revolutionerat tidtagning, upptäckt av planeter utanför vårt solsystem och höghastighets optisk kommunikation.

Nu har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras medarbetare utvecklat ett nytt sätt att skapa kammarna som lovar att öka deras redan utsökta noggrannhet och låta dem mäta ljus över en rad frekvenser som tidigare var otillgängliga. Det utökade området kommer att möjliggöra frekvenskammar för att undersöka celler och annat biologiskt material.

Forskarna beskriver sitt arbete i Nature Photonics . I teamet ingår François Leo och hans kollegor från Université Libre de Bruxelles, Belgien, Julien Fatome från Université de Bourgogne i Dijon, Frankrike, och forskare från Joint Quantum Institute, ett forskningssamarbete mellan NIST och University of Maryland.

De nya enheterna, som är tillverkade på ett litet glaschip, fungerar på ett fundamentalt annorlunda sätt än tidigare chipbaserade frekvenskammar, även kända som mikrokammar.

En frekvenskam fungerar som en linjal för ljus. Precis som de jämnt fördelade tickmarkeringarna på en vanlig linjal mäter längden på föremål, mäter de jämnt fördelade frekvensspetsarna på en mikrokam svängningarna, eller frekvenserna, för ljusvågor.

Forskare använder vanligtvis tre element för att bygga en mikrokam:en enda laser, känd som pumplasern; en liten ringformad resonator, det viktigaste elementet; och en miniatyrvågledare som transporterar ljus mellan de två. Laserljus som injiceras i vågledaren kommer in i resonatorn och rasar runt ringen. Genom att noggrant justera laserns frekvens kan ljuset i ringen bli en soliton – en ensam vågpuls som bevarar sin form när den rör sig.

Varje gång solitonen slutför en rundresa runt ringen, delas en del av pulsen av och går in i vågledaren. Snart fyller ett helt tåg av de smala pulserna - som liknar spikar - vågledaren, med varje spik separerad i tid med samma fasta intervall, den tid det tog för soliton att fullfölja ett varv. Piggarna motsvarar en enda uppsättning jämnt fördelade frekvenser och bildar tickmärkena eller "tänderna" på frekvenskammen.

Denna metod för att generera en mikrokam, även om den är effektiv, kan endast producera kammar med ett frekvensområde centrerat på pumplaserns frekvens. För att övervinna den begränsningen förutspådde NIST-forskarna Grégory Moille och Kartik Srinivasan, som arbetade med ett internationellt team av forskare under ledning av Miro Erkintalo från University of Auckland i Nya Zeeland och Dodd-Walls Center for Photonic and Quantum Technologies, teoretiskt och demonstrerade sedan experimentellt. en ny process för att producera en soliton mikrokam.

Istället för att använda en enda laser använder den nya metoden två pumplasrar, som var och en avger ljus med olika frekvens. Den komplexa interaktionen mellan de två frekvenserna producerar en soliton vars centrala frekvens ligger exakt mellan de två laserfärgerna.

Metoden gör det möjligt för forskare att generera kammar med nya egenskaper i ett frekvensområde som inte längre begränsas av pumplasrar. Genom att generera kammar som spänner över en annan uppsättning frekvenser än den injicerade pumplasern kan enheterna till exempel tillåta forskare att studera sammansättningen av biologiska föreningar.

Utöver denna praktiska fördel kan fysiken som ligger bakom denna nya typ av mikrokam, känd som en parametriskt driven mikrokam, leda till andra viktiga framsteg. Ett exempel är en potentiell förbättring av ljudet associerat med mikrokammens individuella tänder.

I en kam som genereras av en enda laser skulpterar pumplasern direkt endast den centrala tanden. Som ett resultat blir tänderna bredare ju längre de ligger från mitten av kammen. Det är inte önskvärt, eftersom bredare tänder inte kan mäta frekvenser lika exakt som smalare.

I det nya kamsystemet formar de två pumplasrarna varje tand. Enligt teorin borde det producera en uppsättning tänder som alla är lika smala, vilket förbättrar noggrannheten i mätningarna. Forskarna testar nu om denna teoretiska förutsägelse stämmer för de mikrokammar de har tillverkat.

Tvålasersystemet erbjuder ytterligare en potentiell fördel:Det producerar solitoner som finns i två varianter, som kan liknas vid att ha antingen ett positivt eller negativt tecken. Huruvida en viss soliton är negativ eller positiv är rent slumpmässigt eftersom det härrör från kvantegenskaperna för interaktionen mellan de två lasrarna.

Detta kan göra det möjligt för solitonerna att bilda en perfekt slumptalsgenerator, som spelar en nyckelroll för att skapa säkra kryptografiska koder och för att lösa vissa statistiska och kvantproblem som annars skulle vara omöjliga att lösa med en vanlig, icke-kvantdator.

Mer information: Grégory Moille et al, Parametriskt drivna rena Kerr temporala solitoner i en chip-integrerad mikrokavitet, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01401-6

Tillhandahålls av National Institute of Standards and Technology

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.