Dispositivi basati su chip noti come pettini di frequenza, che misurano la frequenza delle onde luminose con una precisione senza pari, hanno rivoluzionato il cronometraggio, il rilevamento dei pianeti al di fuori del nostro sistema solare e la comunicazione ottica ad alta velocità.
Ora, gli scienziati del National Institute of Standards e Tecnologia (NIST) e i loro collaboratori hanno sviluppato un nuovo modo di creare i pettini che promette di aumentare la loro già straordinaria precisione e consentire loro di misurare la luce su una gamma di frequenze precedentemente inaccessibili. La gamma estesa consentirà ai pettini di frequenza di sondare cellule e altro materiale biologico.
I ricercatori descrivono il loro lavoro in Nature Photonics. Il team comprende François Leo e i suoi colleghi dell'Université Libre de Bruxelles, Belgio, Julien Fatome dell'Université de Bourgogne a Digione, Francia, e scienziati del Joint Quantum Institute, una partnership di ricerca tra il NIST e l'Università del Maryland.
I nuovi dispositivi, fabbricati su un piccolo chip di vetro, funzionano in modo fondamentalmente diverso dai precedenti pettini di frequenza basati su chip, noti anche come microcomb.
Un pettine di frequenza funge da righello per la luce. Proprio come i segni di spunta uniformemente spaziati su un normale righello misurano la lunghezza degli oggetti, i picchi di frequenza uniformemente spaziati su un microcomb misurano le oscillazioni, o frequenze, delle onde luminose.
I ricercatori in genere utilizzano tre elementi per costruire un microcomb: un singolo laser, noto come laser a pompa; un minuscolo risonatore a forma di anello, l'elemento più importante; e una guida d'onda in miniatura che trasporta la luce tra i due. La luce laser che viene iniettata nella guida d'onda entra nel risonatore e corre attorno all'anello. Regolando attentamente la frequenza del laser, la luce all'interno dell'anello può diventare un solitone, un impulso d'onda solitario che conserva la sua forma mentre si muove.
Ogni volta che il solitone completa un giro attorno all'anello, una parte dell'impulso si separa ed entra nella guida d'onda. Ben presto, un intero treno di impulsi stretti – che assomigliano a picchi – riempie la guida d’onda, con ciascun picco separato nel tempo dallo stesso intervallo fisso, il tempo impiegato dal solitone per completare un giro. I picchi corrispondono a un singolo insieme di frequenze equidistanti e formano i segni di spunta, o "denti", del pettine di frequenza.
Questo metodo di generazione di un micropettino, sebbene efficace, può produrre solo pettini con una gamma di frequenze centrata sulla frequenza del laser della pompa. Per superare questa limitazione, i ricercatori del NIST Grégory Moille e Kartik Srinivasan, lavorando con un team internazionale di ricercatori guidati da Miro Erkintalo dell’Università di Auckland in Nuova Zelanda e il Dodd-Walls Center for Photonic and Quantum Technologies, hanno previsto teoricamente e poi dimostrato sperimentalmente un nuovo processo per produrre un microcomb solitonico.
Invece di impiegare un singolo laser, il nuovo metodo utilizza due laser a pompa, ciascuno dei quali emette luce a una frequenza diversa. La complessa interazione tra le due frequenze produce un solitone la cui frequenza centrale si trova esattamente tra i due colori del laser.
Il metodo consente agli scienziati di generare pettini con nuove proprietà in una gamma di frequenze che non è più limitata dai laser a pompa. Generando pettini che coprono un insieme di frequenze diverso rispetto al laser della pompa iniettata, i dispositivi potrebbero, ad esempio, consentire agli scienziati di studiare la composizione dei composti biologici.
Oltre a questo vantaggio pratico, la fisica alla base di questo nuovo tipo di microcomb, noto come microcomb parametrico, potrebbe portare ad altri importanti progressi. Un esempio è un potenziale miglioramento del rumore associato ai singoli denti del microcomb.
In un pettine generato da un singolo laser, il laser a pompa scolpisce direttamente solo il dente centrale. Di conseguenza, i denti diventano più larghi quanto più si allontanano dal centro del pettine. Ciò non è auspicabile, perché i denti più larghi non possono misurare le frequenze con la stessa precisione di quelli più stretti.
Nel nuovo sistema a pettine i due laser a pompa modellano ciascun dente. Secondo la teoria, ciò dovrebbe produrre una serie di denti tutti ugualmente stretti, migliorando la precisione delle misurazioni. I ricercatori stanno ora testando se questa previsione teorica è vera per i micropettini che hanno fabbricato.
Il sistema a due laser offre un altro potenziale vantaggio: produce solitoni di due varietà, che possono essere paragonati ad avere un segno positivo o negativo. Che un particolare solitone sia negativo o positivo è puramente casuale perché deriva dalle proprietà quantistiche dell'interazione tra i due laser.
Ciò potrebbe consentire ai solitoni di formare un generatore di numeri casuali perfetto, che svolge un ruolo chiave nella creazione di codici crittografici sicuri e nella risoluzione di alcuni problemi statistici e quantistici che altrimenti sarebbero impossibili da risolvere con un normale computer non quantistico.