Perangkat berbasis chip yang dikenal sebagai sisir frekuensi, yang mengukur frekuensi gelombang cahaya dengan presisi tak tertandingi, telah merevolusi ketepatan waktu, pendeteksian planet di luar tata surya, dan komunikasi optik berkecepatan tinggi.
Sekarang, para ilmuwan di National Institute of Standards dan Teknologi (NIST) dan kolaboratornya telah mengembangkan cara baru dalam menciptakan sisir yang menjanjikan peningkatan akurasi yang sangat baik dan memungkinkan mereka mengukur cahaya pada rentang frekuensi yang sebelumnya tidak dapat diakses. Jangkauan yang diperluas akan memungkinkan sisir frekuensi untuk menyelidiki sel dan bahan biologis lainnya.
Para peneliti mendeskripsikan pekerjaan mereka dalam Nature Photonics. Tim tersebut terdiri dari François Leo dan rekan-rekannya dari Université Libre de Bruxelles, Belgia, Julien Fatome dari Université de Bourgogne di Dijon, Prancis, dan ilmuwan dari Joint Quantum Institute, sebuah kemitraan penelitian antara NIST dan Universitas Maryland.
Perangkat baru, yang dibuat pada chip kaca kecil, beroperasi dengan cara yang berbeda secara fundamental dari sisir frekuensi berbasis chip sebelumnya, yang juga dikenal sebagai microcombs.
Sisir frekuensi berfungsi sebagai penggaris cahaya. Sama seperti tanda centang yang berjarak seragam pada penggaris biasa mengukur panjang benda, lonjakan frekuensi yang berjarak seragam pada microcomb mengukur osilasi, atau frekuensi, gelombang cahaya.
Para peneliti biasanya menggunakan tiga elemen untuk membangun microcomb: laser tunggal, yang dikenal sebagai laser pompa; resonator kecil berbentuk cincin, elemen terpenting; dan pandu gelombang mini yang mengangkut cahaya di antara keduanya. Sinar laser yang disuntikkan ke pandu gelombang memasuki resonator dan berputar mengelilingi ring. Dengan mengatur frekuensi laser secara hati-hati, cahaya di dalam cincin dapat menjadi soliton—denyut gelombang soliter yang mempertahankan bentuknya saat bergerak.
Setiap kali soliton menyelesaikan satu putaran mengelilingi ring, sebagian pulsa terpecah dan memasuki pandu gelombang. Segera, seluruh rangkaian pulsa sempit – yang menyerupai paku – memenuhi pandu gelombang, dengan setiap paku dipisahkan dalam waktu dengan interval tetap yang sama, waktu yang diperlukan soliton untuk menyelesaikan satu putaran. Lonjakan tersebut sesuai dengan satu set frekuensi yang berjarak sama dan membentuk tanda centang, atau “gigi”, dari sisir frekuensi.
Metode menghasilkan microcomb ini, meskipun efektif, hanya dapat menghasilkan sisir dengan rentang frekuensi yang berpusat pada frekuensi laser pompa. Untuk mengatasi keterbatasan tersebut, peneliti NIST Grégory Moille dan Kartik Srinivasan, bekerja sama dengan tim peneliti internasional yang dipimpin oleh Miro Erkintalo dari Universitas Auckland di Selandia Baru dan Pusat Teknologi Fotonik dan Kuantum Dodd-Walls, memperkirakan secara teoritis dan kemudian mendemonstrasikannya secara eksperimental. proses baru untuk memproduksi microcomb soliton.
Alih-alih menggunakan laser tunggal, metode baru ini menggunakan dua laser pompa, yang masing-masing memancarkan cahaya pada frekuensi berbeda. Interaksi kompleks antara dua frekuensi menghasilkan soliton yang frekuensi pusatnya terletak tepat di antara dua warna laser.
Metode ini memungkinkan para ilmuwan untuk menghasilkan sisir dengan sifat baru dalam rentang frekuensi yang tidak lagi dibatasi oleh laser pompa. Dengan menghasilkan sisir yang menjangkau frekuensi yang berbeda dari laser pompa yang disuntikkan, perangkat ini, misalnya, memungkinkan para ilmuwan mempelajari komposisi senyawa biologis.
Di luar keuntungan praktis ini, ilmu fisika yang mendasari jenis mikrocomb baru ini, yang dikenal sebagai microcomb yang digerakkan secara parametrik, dapat membawa kemajuan penting lainnya. Salah satu contohnya adalah potensi peningkatan kebisingan yang terkait dengan masing-masing gigi microcomb.
Dalam sisir yang dihasilkan oleh satu laser, laser pompa secara langsung hanya membentuk gigi tengah saja. Akibatnya, gigi menjadi semakin lebar jika semakin jauh letaknya dari tengah sisir. Hal ini tidak diinginkan, karena gigi yang lebih lebar tidak dapat mengukur frekuensi seakurat gigi yang lebih sempit.
Dalam sistem sisir baru, dua laser pompa membentuk setiap gigi. Menurut teori, hal itu akan menghasilkan satu set gigi yang semuanya sama-sama sempit, sehingga meningkatkan akurasi pengukuran. Para peneliti sekarang sedang menguji apakah prediksi teoritis ini berlaku untuk microcomb yang mereka buat.
Sistem dua laser menawarkan keuntungan potensial lainnya: Menghasilkan soliton yang terdiri dari dua jenis, yang dapat diumpamakan memiliki tanda positif atau negatif. Apakah soliton tertentu negatif atau positif adalah murni acak karena muncul dari sifat kuantum interaksi antara dua laser.
Hal ini memungkinkan soliton untuk membentuk generator bilangan acak sempurna, yang memainkan peran penting dalam menciptakan kode kriptografi yang aman dan dalam memecahkan beberapa masalah statistik dan kuantum yang tidak mungkin diselesaikan dengan komputer non-kuantum biasa.