Chipbasierte Geräte, sogenannte Frequenzkämme, die die Frequenz von Lichtwellen mit beispielloser Präzision messen, haben die Zeitmessung, die Erkennung von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems und die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation revolutioniert.
Jetzt haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technologie (NIST) und ihre Mitarbeiter haben eine neue Methode zur Herstellung der Kämme entwickelt, die verspricht, ihre ohnehin schon außerordentliche Genauigkeit zu steigern und es ihnen zu ermöglichen, Licht über einen zuvor unzugänglichen Frequenzbereich zu messen. Die erweiterte Reichweite wird es Frequenzkämmen ermöglichen, Zellen und anderes biologisches Material zu untersuchen.
Die Forscher beschreiben ihre Arbeit in Nature Photonics. Zum Team gehören François Leo und seine Kollegen von der Université Libre de Bruxelles, Belgien, Julien Fatome von der Université de Bourgogne in Dijon, Frankreich, und Wissenschaftler vom Joint Quantum Institute, einer Forschungspartnerschaft zwischen NIST und der University of Maryland.
Die neuen Geräte, die auf einem kleinen Glaschip gefertigt sind, funktionieren grundlegend anders als bisherige chipbasierte Frequenzkämme, auch Mikrokämme genannt.
Ein Frequenzkamm fungiert als Lineal für Licht. So wie die gleichmäßig verteilten Markierungen auf einem gewöhnlichen Lineal die Länge von Objekten messen, messen die gleichmäßig verteilten Frequenzspitzen auf einem Mikrokamm die Schwingungen oder Frequenzen von Lichtwellen.
Forscher verwenden typischerweise drei Elemente, um einen Mikrokamm zu bauen: einen einzelnen Laser, den sogenannten Pumplaser; ein winziger ringförmiger Resonator, das wichtigste Element; und einen Miniaturwellenleiter, der Licht zwischen den beiden transportiert. Laserlicht, das in den Wellenleiter eingekoppelt wird, gelangt in den Resonator und rast um den Ring. Durch sorgfältige Anpassung der Laserfrequenz kann das Licht im Ring zu einem Soliton werden – einem einzelnen Wellenimpuls, der seine Form beibehält, während er sich bewegt.
Jedes Mal, wenn das Soliton einen Umlauf um den Ring durchläuft, spaltet sich ein Teil des Impulses ab und gelangt in den Wellenleiter. Bald füllt eine ganze Folge schmaler Impulse, die Spitzen ähneln, den Wellenleiter, wobei jede Spitze zeitlich durch dasselbe feste Intervall getrennt ist, nämlich die Zeit, die das Soliton für eine Runde benötigte. Die Spitzen entsprechen einem einzelnen Satz gleichmäßig verteilter Frequenzen und bilden die Teilstriche oder „Zähne“ des Frequenzkamms.
Diese Methode zur Erzeugung eines Mikrokamms ist zwar effektiv, kann jedoch nur Kämme mit einem Frequenzbereich erzeugen, der auf der Frequenz des Pumplasers zentriert ist. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben die NIST-Forscher Grégory Moille und Kartik Srinivasan in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Miro Erkintalo von der University of Auckland in Neuseeland und dem Dodd-Walls Centre for Photonic and Quantum Technologies theoretisch Vorhersagen getroffen und diese dann experimentell nachgewiesen ein neues Verfahren zur Herstellung eines Soliton-Mikrokamms.
Anstelle eines einzelnen Lasers werden bei der neuen Methode zwei Pumplaser eingesetzt, die jeweils Licht mit einer anderen Frequenz aussenden. Durch die komplexe Wechselwirkung der beiden Frequenzen entsteht ein Soliton, dessen Zentralfrequenz genau zwischen den beiden Laserfarben liegt.
Die Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, Kämme mit neuartigen Eigenschaften in einem Frequenzbereich zu erzeugen, der nicht mehr durch Pumplaser begrenzt ist. Durch die Erzeugung von Kämmen, die einen anderen Frequenzbereich abdecken als der injizierte Pumplaser, könnten die Geräte es Wissenschaftlern beispielsweise ermöglichen, die Zusammensetzung biologischer Verbindungen zu untersuchen.
Über diesen praktischen Vorteil hinaus könnte die Physik, die diesem neuen Mikrokammtyp zugrunde liegt, der als parametrisch angetriebener Mikrokamm bekannt ist, zu weiteren wichtigen Fortschritten führen. Ein Beispiel ist eine mögliche Verbesserung des Lärms, der mit den einzelnen Zähnen des Mikrokamms verbunden ist.
Bei einem von einem einzelnen Laser erzeugten Kamm modelliert der Pumplaser direkt nur den zentralen Zahn. Dadurch werden die Zähne breiter, je weiter sie von der Kammmitte entfernt sind. Das ist nicht erwünscht, denn breitere Zähne können Frequenzen nicht so präzise messen wie schmalere.
Beim neuen Kammsystem formen die beiden Pumplaser jeden Zahn. Der Theorie zufolge sollte dadurch ein Gebiss entstehen, das alle gleich schmal ist, was die Genauigkeit der Messungen verbessert. Die Forscher testen nun, ob diese theoretische Vorhersage für die von ihnen hergestellten Mikrokämme zutrifft.
Das Zwei-Laser-System bietet einen weiteren potenziellen Vorteil: Es erzeugt Solitonen in zwei Varianten, die entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen haben. Ob ein bestimmtes Soliton negativ oder positiv ist, ist rein zufällig, da es sich aus den Quanteneigenschaften der Wechselwirkung zwischen den beiden Lasern ergibt.
Dadurch könnten die Solitonen einen perfekten Zufallszahlengenerator bilden, der eine Schlüsselrolle bei der Erstellung sicherer kryptografischer Codes und bei der Lösung einiger statistischer und Quantenprobleme spielt, die sonst mit einem gewöhnlichen Nicht-Quantencomputer nicht zu lösen wären.