מכשירים מבוססי שבבים הידועים כמסרקי תדר, המודדים את תדירות גלי האור בדיוק שאין שני לו, חוללו מהפכה בשמירת הזמן, זיהוי כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש שלנו ותקשורת אופטית במהירות גבוהה.
כעת, מדענים במכון הלאומי לתקנים ו טכנולוגיה (NIST) ומשתפי הפעולה שלהם פיתחו דרך חדשה ליצור את המסרקים שמבטיחה להגביר את הדיוק המופלא שלהם ולאפשר להם למדוד אור בטווח של תדרים שלא היה נגיש בעבר. הטווח המורחב יאפשר מסרקות תדר לחקור תאים וחומרים ביולוגיים אחרים.
החוקרים מתארים את עבודתם ב Nature Photonics. הצוות כולל את פרנסואה ליאו ועמיתיו מאוניברסיטת ליבר דה בריסל, בלגיה, ז'וליאן פאטומה מאוניברסיטת בורגון בדיז'ון, צרפת, ומדענים מהמכון הקוונטי המשותף, שותפות מחקר בין NIST ואוניברסיטת מרילנד.
המכשירים החדשים, המיוצרים על שבב זכוכית קטן, פועלים בצורה שונה מהותית ממסרקות תדרים קודמות מבוססות שבבים, המכונות גם מיקרו-קומבס.
מסרק תדרים פועל כשליט לאור. בדיוק כפי שסימני התיקונים המרווחים האחידים על סרגל רגיל מודדים את אורך העצמים, קוצי התדר המרווחים האחידים במיקרומסרק מודדים את התנודות, או התדרים, של גלי האור.
חוקרים משתמשים בדרך כלל בשלושה אלמנטים לבניית מיקרו-מסרק: לייזר יחיד, המכונה לייזר המשאבה; מהוד זעיר בצורת טבעת, האלמנט החשוב ביותר; ומוליך גל מיניאטורי שמעביר אור בין השניים. אור לייזר המוזרק למוביל הגל נכנס לתהודה ומתרוצץ סביב הטבעת. על ידי התאמה קפדנית של תדר הלייזר, האור בתוך הטבעת יכול להפוך לסוליטון - דופק גל בודד ששומר על צורתו בזמן שהוא נע.
בכל פעם שהסוליטון משלים סיבוב אחד סביב הטבעת, חלק מהדופק מתפצל ונכנס למוביל הגלים. עד מהרה, רכבת שלמה של הפולסים הצרים - הדומים לקוצים - ממלאת את מוליך הגלים, כאשר כל ספייק מופרד בזמן באותו מרווח קבוע, הזמן שלקח לסוליטון להשלים סיבוב אחד. הדוקרנים תואמים לקבוצה אחת של תדרים מרווחים באופן שווה ויוצרים את סימני התקתק, או "שיניים", של מסרק התדרים.
שיטה זו של יצירת מיקרומסרק, על אף שהיא יעילה, יכולה לייצר רק מסרקים עם טווח תדרים המתמקדים בתדר של לייזר המשאבה. כדי להתגבר על מגבלה זו, חוקרי NIST, גרגורי מויל וקארטיק סריניוואסן, שעבדו עם צוות בינלאומי של חוקרים בראשות מירו ארקינטלו מאוניברסיטת אוקלנד בניו זילנד ומרכז דוד-וולס לטכנולוגיות פוטוניות וקוונטיות, חזו תיאורטית ולאחר מכן הדגימו בניסוי. תהליך חדש לייצור מיקרוקומב סוליטון.
במקום להשתמש בלייזר בודד, השיטה החדשה משתמשת בשני לייזרים משאבים, שכל אחד מהם פולט אור בתדר שונה. האינטראקציה המורכבת בין שני התדרים מייצרת סוליטון שהתדר המרכזי שלו נמצא בדיוק בין שני צבעי הלייזר.
השיטה מאפשרת למדענים ליצור מסרקים בעלי תכונות חדשות בטווח תדרים שאינו מוגבל עוד על ידי לייזר משאבה. על ידי יצירת מסרקים המשתרעים על קבוצת תדרים שונה מזו של לייזר המשאבה המוזרק, המכשירים יכולים, למשל, לאפשר למדענים לחקור את הרכב התרכובות הביולוגיות.
מעבר ליתרון המעשי הזה, הפיזיקה שעומדת בבסיס הסוג החדש הזה של מיקרו-מסרק, המכונה מיקרו-מסרק מונע פרמטרי, עשויה להוביל להתקדמות חשובה נוספת. דוגמה אחת היא שיפור פוטנציאלי ברעש הקשור לשיניים הבודדות של המיקרומסרק.
במסרק שנוצר על ידי לייזר בודד, לייזר המשאבה מחטב ישירות רק את השן המרכזית. כתוצאה מכך, השיניים נעשות רחבות יותר ככל שהן שוכבות רחוק יותר ממרכז המסרק. זה לא רצוי, כי שיניים רחבות יותר אינן יכולות למדוד תדרים בדיוק כמו תדרים צרים יותר.
במערכת המסרקים החדשה, שני לייזרים המשאבים מעצבים כל שן. לפי התיאוריה, זה אמור לייצר מערכת שיניים שכולן צרות באותה מידה, ולשפר את דיוק המדידות. החוקרים בודקים כעת האם התחזית התיאורטית הזו נכונה לגבי המיקרומסרקים שהם יצרו.
מערכת שני הלייזרים מציעה יתרון פוטנציאלי נוסף: היא מייצרת סוליטונים המגיעים בשני סוגים, אותם ניתן להשוות לבעלי סימן חיובי או שלילי. האם סוליטון מסוים הוא שלילי או חיובי הוא אקראי לחלוטין מכיוון שהוא נובע מהתכונות הקוונטיות של האינטראקציה בין שני הלייזרים.
זה עשוי לאפשר לסוליטונים ליצור מחולל מספרים אקראיים מושלם, אשר ממלא תפקיד מפתח ביצירת קודים קריפטוגרפיים מאובטחים ובפתרון כמה בעיות סטטיסטיות וקוונטיות שאחרת לא היה ניתן לפתור עם מחשב רגיל ולא קוונטי.