Fysikere finesser lagringen af ​​lys for at skabe regnbuer af farver

I naturen, som i hverdagen, vi er omgivet af resonans – det fænomen, der beskriver, hvordan hvert objekt har en frekvens, som det foretrækker at vibrere ved. Tonen af ​​en guitarstreng og lyden af ​​Big Ben-kimen er eksempler på resonans.

Vibrationer nær resonans forårsager stærke påvirkninger. Broer kollapser, hvis soldater marcherer i kor; et barn kan "skubbe" sig selv på en gynge ved at bevæge benene i den rigtige hastighed, og to pendulure på samme bord vil synkronisere. Disse eksempler viser den øgede følsomhed, der gives til et objekt, når det er forsynet med energi ved en bestemt (dvs. resonans) frekvens. Det er da ikke underligt, at fysikere og ingeniører altid leder efter måder at bruge resonans til at udløse nyttige effekter og stærke reaktioner ved at anvende den mindste mængde energi.

Nu, et hold fysikere fra University of Bath har fundet en måde at bruge resonans til at udnytte lysets energi mere effektivt inde i strukturer kaldet mikroresonatorer. For lys, mikroresonatorer fungerer som miniature racerbaner, med fotoner, der lyner rundt om cirklen i løkker. Lys består af fotoner i forskellige farver, med hver farve, der svarer til bølger, der svinger ved bestemte bølgelængder og frekvenser. Hvis toppene af disse bølger når det samme punkt efter en fuld sløjfe er lavet rundt om resonatoren, så rammer resonatorens energilagringskapacitet et maksimum målt i forhold til frekvens. Med andre ord, resonatoren og lyset indeni kommer til resonans.

En resonators evne til at lagre energi er karakteriseret ved skarpheden af ​​resonansen, også kaldet finesse.

Fysikere er fanget i et kapløb om at maksimere resonatorernes finesser, for at lagre så meget energi som muligt i en enkelt resonator. Grunden til dette er ikke kun pralerettigheder. Når høj lysenergi cirkulerer i en resonator, det begynder at afsløre interessante egenskaber. For eksempel, resonatoren begynder at producere fotoner af lys med nye frekvenser og derfor af forskellige farver.

En nyskabt regnbue af farver er kendt som en frekvenskam. En kams mange nyttige egenskaber førte til, at forskere, der arbejder med 'den optiske frekvenskam-teknik', vandt 2005 Nobelprisen i fysik. I modsætning til en himmelregnbue, den, der er oprettet i en resonator, viser ikke et kontinuerligt spektrum af farver. I stedet, den indeholder et regelmæssigt og ligeligt fordelt mønster af farver, ligner tænderne på en kam. Regelmæssigheden af ​​disse tænder gør det muligt at bruge disse kamme til ultrapræcise målinger - f.eks. af afstande og tid.

University of Bath-undersøgelsen har fundet ud af, at styrken af ​​lysstofinteraktioner for at lave frekvenskamme ikke er de eneste grunde til, at højfinessemikroresonatorer er vigtige. Hvis finessen er relativt lille, tuning af en laser omkring en af ​​resonanserne får en given kamtand til at justere sin farve kontinuerligt. At nå finesser på flere tusinde og titusinder, imidlertid, begynder at bryde denne kontinuitet.

Når kontinuiteten brydes, en laser, der er indstillet til at generere et par fotoner med to specifikke farver, skal passere gennem "tomgangsintervallet", før den næste farve antændes. I dette interval, der kan ikke konverteres til nye farver.

I resonansteoriens sprog, intervalskabelsen kaldes Arnold-tunge. Arnold-tunge er et fænomen, der ofte findes i netværk af oscillatorer. Neuronerne i vores hjerne arbejder i henhold til Arnold-tungernes regler for at synkronisere transmissionen af ​​signaler.

Mikroresonatortungerne rapporteret i Bath-undersøgelsen repræsenterer et kort over de smalle tungelignende strukturer, der viser, hvordan laserparametre bør indstilles til enten at generere eller ikke generere nye farver.

Fotonpargenereringsprocessen er et nøglefænomen, der understøtter udviklingen af ​​justerbare lyskilder til forskellige applikationer, og især til optisk databehandling og transmission. Opdagelse af forbindelsen mellem foton-par generation og Arnold tunger forventes at øge effektiviteten af ​​denne proces. Yderligere forøgelse af finesser er mulig ved at fryse mikroresonatorerne til en temperatur, hvor molekylerne, den er lavet af, holder op med at vibrere. Dette forventes at udløse nye måder at manipulere fotoner på, og Bath-teamet planlægger at studere disse næste.

Professor Dmitry Skryabin fra Baths Center for Fotonik og Fotoniske Materialer, og ledende forsker i denne undersøgelse, sagde, "Siden Nobelprisen i 2005, kamteknologien er hurtigt blevet nedskaleret til størrelsen af ​​computerchips. Dette betyder, at miniaturiserede frekvenskamgeneratorer kan have utallige forskellige anvendelser inden for for eksempel forureningsovervågning, radar teknologi, og opdagelse af nye planeter."