أحدثت الأجهزة المعتمدة على الرقائق والمعروفة باسم أمشاط التردد، والتي تقيس تردد موجات الضوء بدقة لا مثيل لها، ثورة في ضبط الوقت واكتشاف الكواكب خارج نظامنا الشمسي والاتصالات البصرية عالية السرعة.
الآن، العلماء في المعهد الوطني للمعايير و تكنولوجيا (NIST) ومعاونوهم طوروا طريقة جديدة لإنشاء الأمشاط التي تعد بتعزيز دقتها الرائعة بالفعل وتسمح لهم بقياس الضوء عبر نطاق من الترددات التي لم يكن من الممكن الوصول إليها في السابق. سيمكن النطاق الممتد أمشاط التردد من فحص الخلايا والمواد البيولوجية الأخرى.
يصف الباحثون عملهم في طبيعة الضوئيات. يضم الفريق فرانسوا ليو وزملاؤه من جامعة بروكسل الحرة ببلجيكا، وجوليان فاتومي من جامعة بورغون في ديجون بفرنسا، وعلماء من معهد الكم المشترك، وهو شراكة بحثية بين NIST وجامعة ميريلاند.
تعمل الأجهزة الجديدة، المصنعة على شريحة زجاجية صغيرة، بطريقة مختلفة جذريًا عن أمشاط التردد السابقة المعتمدة على الشريحة، والمعروفة أيضًا باسم الأمشاط الدقيقة.
يعمل مشط التردد كمسطرة للضوء. مثلما تقيس علامات التجزئة ذات المسافات المنتظمة على المسطرة العادية طول الأشياء، فإن ارتفاعات التردد ذات المسافات المنتظمة على المشط الصغير تقيس تذبذبات أو ترددات موجات الضوء.
يستخدم الباحثون عادةً ثلاثة عناصر لبناء مشط صغير: ليزر واحد، يُعرف باسم مضخة الليزر؛ مرنان صغير على شكل حلقة، وهو العنصر الأكثر أهمية؛ ودليل موجي مصغر ينقل الضوء بين الاثنين. يدخل ضوء الليزر الذي يتم حقنه في الدليل الموجي إلى الرنان ويدور حول الحلقة. من خلال ضبط تردد الليزر بعناية، يمكن للضوء الموجود داخل الحلقة أن يصبح سوليتون - نبضة موجة منفردة تحافظ على شكلها أثناء تحركها.
في كل مرة يكمل فيها السوليتون رحلة ذهابًا وإيابًا حول الحلقة، ينفصل جزء من النبض ويدخل إلى الدليل الموجي. وسرعان ما يملأ قطار كامل من النبضات الضيقة - التي تشبه المسامير - الدليل الموجي، مع فصل كل ارتفاع في الوقت المناسب بنفس الفاصل الزمني الثابت، وهو الوقت الذي يستغرقه سوليتون لإكمال دورة واحدة. تتوافق المسامير مع مجموعة واحدة من الترددات المتباعدة بشكل متساوٍ وتشكل علامات التجزئة أو "الأسنان" لمشط التردد.
هذه الطريقة لتوليد مشط صغير، على الرغم من فعاليتها، يمكنها فقط إنتاج أمشاط ذات نطاق من الترددات المتمركزة على تردد مضخة الليزر. وللتغلب على هذا القيد، قام الباحثون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، جريجوري مويل وكارتيك سرينيفاسان، الذين يعملون مع فريق دولي من الباحثين بقيادة ميرو إركينتالو من جامعة أوكلاند في نيوزيلندا ومركز دود وولز للتقنيات الضوئية والكمية، بالتنبؤ نظريًا ثم أثبتوا تجريبيًا عملية جديدة لإنتاج مشط سوليتون الصغير
وبدلاً من استخدام ليزر واحد، تستخدم الطريقة الجديدة ضختي ليزر، كل منهما يصدر ضوءًا بتردد مختلف. ينتج عن التفاعل المعقد بين الترددين سليتون يقع تردده المركزي تمامًا بين لوني الليزر.
تسمح هذه الطريقة للعلماء بتوليد أمشاط ذات خصائص جديدة في نطاق تردد لم يعد محدودًا بمضخات الليزر. ومن خلال توليد أمشاط تغطي مجموعة مختلفة من الترددات عن الليزر المحقون، يمكن للأجهزة، على سبيل المثال، أن تسمح للعلماء بدراسة تركيب المركبات البيولوجية.
وبعيدًا عن هذه الميزة العملية، فإن الفيزياء التي يقوم عليها هذا النوع الجديد من الأمشاط الدقيقة، والمعروفة باسم المشط الدقيق الموجه بارامتريًا، قد تؤدي إلى تطورات مهمة أخرى. أحد الأمثلة على ذلك هو التحسن المحتمل في الضوضاء المرتبطة بالأسنان الفردية للمشط الصغير.
في المشط الناتج عن ليزر واحد، يقوم ليزر المضخة بنحت السن المركزي فقط مباشرة. ونتيجة لذلك، تصبح الأسنان أوسع كلما ابتعدت عن مركز المشط. وهذا غير مرغوب فيه، لأن الأسنان الأوسع لا يمكنها قياس الترددات بدقة مثل الأسنان الأضيق.
في نظام المشط الجديد، تعمل مضختا الليزر على تشكيل كل سن. ووفقا للنظرية، ينبغي أن ينتج عن ذلك مجموعة من الأسنان جميعها ضيقة بشكل متساو، مما يحسن دقة القياسات. يقوم الباحثون الآن باختبار ما إذا كان هذا التنبؤ النظري ينطبق على الأمشاط الدقيقة التي قاموا بتصنيعها.
يوفر نظام الليزر الثنائي ميزة محتملة أخرى: فهو ينتج سليتونات تأتي في نوعين، والتي يمكن تشبيهها بعلامة إيجابية أو سلبية. ما إذا كان سوليتون معين سلبيًا أو إيجابيًا هو أمر عشوائي بحت لأنه ينشأ من الخصائص الكمومية للتفاعل بين الليزرين.
قد يمكّن هذا السوليتونات من تكوين مولد أرقام عشوائي مثالي، والذي يلعب دورًا رئيسيًا في إنشاء رموز تشفير آمنة وفي حل بعض المشكلات الإحصائية والكمية التي قد يكون من المستحيل حلها باستخدام كمبيوتر عادي غير كمي.