Forskere udvikler en ny type frekvenskam, der lover at øge nøjagtigheden af ​​tidtagning yderligere

Chip-baserede enheder kendt som frekvenskamme, som måler frekvensen af ​​lysbølger med uovertruffen præcision, har revolutioneret tidtagning, detektering af planeter uden for vores solsystem og højhastigheds optisk kommunikation.

Nu har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres samarbejdspartnere udviklet en ny måde at skabe kamme på, der lover at øge deres allerede udsøgte nøjagtighed og give dem mulighed for at måle lys over en række frekvenser, der tidligere var utilgængelige. Det udvidede område vil gøre det muligt med frekvenskamme at sondere celler og andet biologisk materiale.

Forskerne beskriver deres arbejde i Nature Photonics . Holdet omfatter François Leo og hans kolleger fra Université Libre de Bruxelles, Belgien, Julien Fatome fra Université de Bourgogne i Dijon, Frankrig, og forskere fra Joint Quantum Institute, et forskningspartnerskab mellem NIST og University of Maryland.

De nye enheder, som er fremstillet på en lille glaschip, fungerer på en fundamentalt anderledes måde end tidligere chipbaserede frekvenskamme, også kendt som mikrokamme.

En frekvenskam fungerer som en lineal for lys. Ligesom de ensartede flueben på en almindelig lineal måler længden af ​​objekter, måler de jævnt fordelte frekvensspidser på en mikrokam lysbølgernes svingninger eller frekvenser.

Forskere bruger typisk tre elementer til at bygge en mikrokam:en enkelt laser, kendt som pumpelaseren; en lille ringformet resonator, det vigtigste element; og en miniaturebølgeleder, der transporterer lys mellem de to. Laserlys, der sprøjtes ind i bølgelederen, kommer ind i resonatoren og løber rundt i ringen. Ved omhyggeligt at justere laserens frekvens kan lyset i ringen blive en soliton - en solitær bølgeimpuls, der bevarer sin form, mens den bevæger sig.

Hver gang solitonen gennemfører en rundtur rundt i ringen, splittes en del af pulsen af ​​og går ind i bølgelederen. Snart fylder et helt tog af de smalle impulser - som ligner pigge - bølgelederen, med hver spike adskilt i tid med det samme faste interval, den tid det tog for soliton at fuldføre en omgang. Piggene svarer til et enkelt sæt jævnt fordelte frekvenser og danner fluebenene eller "tænderne" på frekvenskammen.

Denne metode til at generere en mikrokam, selvom den er effektiv, kan kun producere kamme med en række frekvenser centreret om frekvensen af ​​pumpelaseren. For at overvinde denne begrænsning har NIST-forskerne Grégory Moille og Kartik Srinivasan, i samarbejde med et internationalt team af forskere ledet af Miro Erkintalo fra University of Auckland i New Zealand og Dodd-Walls Center for Photonic and Quantum Technologies, teoretisk forudsagt og derefter eksperimentelt demonstreret en ny proces til fremstilling af en soliton mikrokam.

I stedet for at bruge en enkelt laser bruger den nye metode to pumpelasere, som hver udsender lys med en forskellig frekvens. Det komplekse samspil mellem de to frekvenser frembringer en soliton, hvis centrale frekvens ligger nøjagtigt mellem de to laserfarver.

Metoden gør det muligt for forskere at generere kamme med nye egenskaber i et frekvensområde, der ikke længere er begrænset af pumpelasere. Ved at generere kamme, der spænder over et andet sæt frekvenser end den indsprøjtede pumpelaser, kunne enhederne f.eks. give videnskabsfolk mulighed for at studere sammensætningen af ​​biologiske forbindelser.

Ud over denne praktiske fordel kan den fysik, der ligger til grund for denne nye type mikrokam, kendt som en parametrisk drevet mikrokam, føre til andre vigtige fremskridt. Et eksempel er en potentiel forbedring af støjen forbundet med mikrokammens individuelle tænder.

I en kam genereret af en enkelt laser skulpturerer pumpelaseren kun den centrale tand. Som følge heraf bliver tænderne bredere, jo længere de ligger fra midten af ​​kammen. Det er ikke ønskeligt, fordi bredere tænder ikke kan måle frekvenser lige så præcist som smallere.

I det nye kamsystem former de to pumpelasere hver tand. Ifølge teorien skulle det producere et sæt tænder, der alle er lige smalle, hvilket forbedrer målingernes nøjagtighed. Forskerne tester nu, om denne teoretiske forudsigelse holder stik for de mikrokamme, de har fremstillet.

To-laser-systemet tilbyder en anden potentiel fordel:Det producerer solitoner, der kommer i to varianter, som kan sammenlignes med at have enten et positivt eller negativt fortegn. Hvorvidt en bestemt soliton er negativ eller positiv er rent tilfældigt, fordi det opstår fra kvanteegenskaberne af interaktionen mellem de to lasere.

Dette kan gøre solitonerne i stand til at danne en perfekt tilfældig talgenerator, som spiller en nøglerolle i at skabe sikre kryptografiske koder og i løsningen af ​​nogle statistiske og kvanteproblemer, som ellers ville være umulige at løse med en almindelig, ikke-kvantecomputer.

Flere oplysninger: Grégory Moille et al., Parametrisk drevne rene Kerr-tidslige solitoner i et chip-integreret mikrohulrum, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01401-6

Leveret af National Institute of Standards and Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.