Den grundlæggende fysik af frekvenskamme kaster lys over naturens problemløsningsevner

Naturen har en måde at finde optimale løsninger på komplekse problemer. For eksempel, på trods af de milliarder af måder, et enkelt protein kan folde på, proteiner foldes altid på en måde, der minimerer potentiel energi. Slimskimmel, en hjerneløs organisme, finder altid den mest effektive vej til en fødevarekilde, selv når de bliver stillet over for en forhindring. Et hoppereb, når den holdes i begge ender, ender altid i samme form, en kurve kendt som køreledning.

Denne form for optimering forklares af det, der er kendt som et variationsprincip:enhver anden deformation - eller variation - af formen fundet af proteinet, form eller hoppereb ville kræve mere energi.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), har fundet ud af, at nogle lasere bruger samme princip. Forskningen er beskrevet i Fysisk gennemgangsbreve .

Frekvenskamme er meget udbredt, højpræcisionsværktøjer til måling og detektering af forskellige frekvenser – a.k.a. farver - af lys. I modsætning til konventionelle lasere, som udsender en enkelt frekvens, disse lasere udsender flere frekvenser i låsetrin, jævnt fordelt for at ligne tænderne på en kam.

Når en laser producerer en frekvenskam, den udsender bølger af lys, der gentager sig med jævne mellemrum. Afhængigt af kammens parametre, disse bølger kan enten have konstant intensitet, mens de varierer i farve, eller ligne korte lysimpulser, der opbygger og falder i intensitet.

Forskere ved, hvordan kamme producerer pulser, men hvordan såkaldte frekvensmodulerede lasere kan opretholde en konstant intensitet i lyset af skiftende frekvenser, har været et langvarigt puslespil.

Holdet af forskere, ledet af Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik, var i stand til på en tidsskala på en billiontedel af et sekund at rekonstruere bølgeformen udsendt af lyskilder kendt som kvantekaskadelasere, udbredt i spektroskopi og sensing. De fandt ud af, at laserne vælger at udsende lysbølger på en måde, der ikke kun undertrykker intensitetsudsvingene - hvilket fører til en konstant intensitet i tid - men også maksimerer udgangseffekten.

"Vi opdagede, at en frekvensmoduleret laser kan justere parametre af sig selv, ligner en DJ, der drejer knapper på en musiksynthesizer, for at minimere udsving i den udsendte intensitetsbølge, " sagde Marco Piccardo, en postdoc ved SEAS og førsteforfatter til papiret. "Det er ikke en let opgave at dreje alle disse knapper på den rigtige måde. Ved at producere en næsten flad intensitetsbølgeform, den frekvensmodulerede laser har løst et komplekst optimeringsproblem, fungerer ligesom en analog computer."

"Denne opdagelse optrævler fysikken i en lovende frekvenskamteknologi, " sagde Capasso. "Der gavn af en minimal intensitetsmodulation ved laserudgangen, disse enheder kan konkurrere med konventionelle ultrakorte puls-tilstandslåste lasere i spektroskopiapplikationer."