비교할 수 없는 정밀도로 광파의 주파수를 측정하는 주파수 빗으로 알려진 칩 기반 장치는 시간 측정, 태양계 외부 행성 감지 및 고속 광통신에 혁명을 일으켰습니다.
이제 미국 국립표준연구소(National Institute of Standards)의 과학자들과 Technology (NIST)와 공동 연구자들은 이미 절묘한 정확도를 높이고 이전에는 접근할 수 없었던 다양한 주파수 범위에서 빛을 측정할 수 있는 빗을 만드는 새로운 방법을 개발했습니다. 범위가 확장되면 주파수 빗을 사용하여 세포 및 기타 생물학적 물질을 조사할 수 있습니다.
연구자들은 그들의 연구를 자연 Photonics. 이 팀에는 벨기에 Libre de Bruxelles 대학의 François Leo와 동료, 프랑스 Dijon에 있는 Bourgogne 대학의 Julien Fatome, NIST와 메릴랜드 대학 간의 연구 파트너십인 Joint Quantum Institute의 과학자들이 포함되어 있습니다.
작은 유리 칩으로 제작된 새로운 장치는 마이크로콤이라고도 알려진 이전 칩 기반 주파수 빗과 근본적으로 다른 방식으로 작동합니다.
주파수 빗은 빛의 자 역할을 합니다. 일반 눈금자의 균일한 간격의 눈금 표시가 물체의 길이를 측정하는 것처럼, 마이크로콤의 균일한 간격의 주파수 스파이크는 광파의 진동 또는 주파수를 측정합니다.
연구자들은 일반적으로 마이크로콤을 만들기 위해 세 가지 요소를 사용합니다. 즉, 펌프 레이저로 알려진 단일 레이저; 가장 중요한 요소인 작은 고리 모양의 공진기; 그리고 둘 사이에 빛을 전달하는 소형 도파관이 있습니다. 도파관에 주입된 레이저 광은 공진기로 들어가 링 주위를 돌게 됩니다. 레이저의 주파수를 주의 깊게 조정하면 링 내의 빛이 솔리톤(이동할 때 모양을 유지하는 단독 파동 펄스)이 될 수 있습니다.
솔리톤이 링 주위를 한 바퀴 왕복할 때마다 펄스의 일부가 분리되어 도파관으로 들어갑니다. 곧 스파이크와 유사한 좁은 펄스의 전체 열차가 도파관을 채우고 각 스파이크는 동일한 고정 간격, 즉 솔리톤이 한 바퀴를 완료하는 데 걸리는 시간으로 분리됩니다. 스파이크는 균일한 간격으로 배치된 단일 주파수 세트에 해당하며 주파수 빗의 눈금 표시 또는 "톱니"를 형성합니다.
이 마이크로콤 생성 방법은 효과적이지만 펌프 레이저의 주파수를 중심으로 한 주파수 범위의 빗만 생성할 수 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 NIST 연구원 Grégory Moille과 Kartik Srinivasan은 뉴질랜드 오클랜드 대학의 Miro Erkintalo와 Dodd-Walls 광자 및 양자 기술 센터가 이끄는 국제 연구팀과 협력하여 이론적으로 예측한 다음 실험적으로 시연했습니다. 솔리톤 마이크로콤을 생산하는 새로운 공정.
단일 레이저를 사용하는 대신 새로운 방법은 두 개의 펌프 레이저를 사용하는데, 각 레이저는 서로 다른 주파수로 빛을 방출합니다. 두 주파수 사이의 복잡한 상호 작용으로 인해 중심 주파수가 정확히 두 레이저 색상 사이에 있는 솔리톤이 생성됩니다.
이 방법을 통해 과학자들은 더 이상 펌프 레이저에 의해 제한되지 않는 주파수 범위에서 새로운 특성을 가진 빗을 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 주입된 펌프 레이저와 다른 주파수 세트에 걸쳐 있는 빗살을 생성함으로써 이 장치를 통해 과학자들은 생물학적 화합물의 구성을 연구할 수 있습니다.
이러한 실용적인 이점 외에도 매개변수 구동 마이크로콤으로 알려진 이 새로운 유형의 마이크로콤의 기초가 되는 물리학은 다른 중요한 발전을 가져올 수 있습니다. 한 가지 예는 마이크로콤의 개별 톱니와 관련된 소음의 잠재적인 개선입니다.
단일 레이저로 생성된 빗에서는 펌프 레이저가 중앙 치아만 직접 조각합니다. 결과적으로 치아는 빗의 중심에서 멀어질수록 넓어집니다. 넓은 치아는 좁은 치아만큼 정확하게 주파수를 측정할 수 없기 때문에 이는 바람직하지 않습니다.
새로운 빗 시스템에서는 두 개의 펌프 레이저가 각 치아의 모양을 만듭니다. 이론에 따르면, 이는 모두 동일하게 좁은 톱니 세트를 생성하여 측정 정확도를 향상시켜야 합니다. 연구자들은 이제 자신들이 제작한 마이크로콤에 대해 이 이론적 예측이 맞는지 여부를 테스트하고 있습니다.
2개의 레이저 시스템은 또 다른 잠재적인 이점을 제공합니다. 이는 두 가지 종류의 솔리톤을 생성하는데, 이는 양수 또는 음수 부호를 갖는 것과 유사할 수 있습니다. 특정 솔리톤이 음수인지 양수인지 여부는 두 레이저 사이의 상호 작용의 양자 특성에서 발생하기 때문에 순전히 무작위입니다.
이를 통해 솔리톤은 안전한 암호화 코드를 생성하고 일반 비양자 컴퓨터로는 해결할 수 없는 일부 통계 및 양자 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 하는 완벽한 난수 생성기를 형성할 수 있습니다.