Peranti berasaskan cip yang dikenali sebagai sikat frekuensi, yang mengukur kekerapan gelombang cahaya dengan ketepatan yang tiada tandingan, telah merevolusikan ketepatan masa, pengesanan planet di luar sistem suria kita dan komunikasi optik berkelajuan tinggi.
Kini, saintis di Institut Piawaian Kebangsaan dan Teknologi (NIST) dan rakan usaha sama mereka telah membangunkan cara baharu untuk mencipta sikat yang menjanjikan untuk meningkatkan ketepatan mereka yang sudah sangat indah dan membolehkan mereka mengukur cahaya pada julat frekuensi yang sebelum ini tidak boleh diakses. Julat lanjutan akan membolehkan sikat frekuensi menyiasat sel dan bahan biologi lain.
Para penyelidik menerangkan kerja mereka dalam Alam Photonics. Pasukan itu termasuk François Leo dan rakan-rakannya dari Université Libre de Bruxelles, Belgium, Julien Fatome dari Université de Bourgogne di Dijon, Perancis, dan saintis dari Institut Kuantum Bersama, perkongsian penyelidikan antara NIST dan Universiti Maryland.
Peranti baharu, yang direka pada cip kaca kecil, beroperasi dengan cara yang berbeza secara asas daripada sikat frekuensi berasaskan cip sebelumnya, juga dikenali sebagai mikrocomb.
Sikat frekuensi bertindak sebagai pembaris untuk cahaya. Sama seperti tanda tanda jarak seragam pada pembaris biasa mengukur panjang objek, pancang frekuensi jarak seragam pada mikrocomb mengukur ayunan, atau frekuensi, gelombang cahaya.
Penyelidik biasanya menggunakan tiga elemen untuk membina mikrocomb: laser tunggal, dikenali sebagai laser pam; resonator berbentuk cincin kecil, unsur yang paling penting; dan pandu gelombang kecil yang mengangkut cahaya antara keduanya. Cahaya laser yang disuntik ke dalam pandu gelombang memasuki resonator dan berlumba di sekeliling gelanggang. Dengan melaraskan frekuensi laser dengan teliti, cahaya dalam gelang boleh menjadi soliton—nadi gelombang bersendirian yang mengekalkan bentuknya semasa ia bergerak.
Setiap kali soliton melengkapkan satu perjalanan pergi dan balik mengelilingi gelanggang, sebahagian daripada nadi terbelah dan memasuki pandu gelombang. Tidak lama kemudian, keseluruhan kereta api denyutan sempit–yang menyerupai pancang–memenuhi pandu gelombang, dengan setiap pancang dipisahkan dalam masa dengan selang tetap yang sama, masa yang diambil oleh soliton untuk melengkapkan satu pusingan. Pancang sepadan dengan satu set frekuensi yang sama rata dan membentuk tanda semak, atau "gigi," pada sikat frekuensi.
Kaedah menjana mikrocomb ini, walaupun berkesan, hanya boleh menghasilkan sikat dengan julat frekuensi berpusat pada frekuensi laser pam. Untuk mengatasi batasan itu, penyelidik NIST Grégory Moille dan Kartik Srinivasan, bekerja dengan pasukan penyelidik antarabangsa yang diketuai oleh Miro Erkintalo dari Universiti Auckland di New Zealand dan Pusat Dodd-Walls untuk Teknologi Fotonik dan Kuantum, secara teorinya meramalkan dan kemudian menunjukkan secara eksperimen. satu proses baru untuk menghasilkan mikrocomb soliton.
Daripada menggunakan satu laser, kaedah baharu ini menggunakan dua laser pam, yang setiap satunya memancarkan cahaya pada frekuensi yang berbeza. Interaksi kompleks antara dua frekuensi menghasilkan soliton yang frekuensi pusatnya terletak tepat di antara dua warna laser.
Kaedah ini membolehkan saintis menghasilkan sikat dengan sifat baru dalam julat frekuensi yang tidak lagi dihadkan oleh laser pam. Dengan menghasilkan sikat yang menjangkau set frekuensi yang berbeza daripada laser pam yang disuntik, peranti boleh, sebagai contoh, membenarkan saintis mengkaji komposisi sebatian biologi.
Di luar kelebihan praktikal ini, fizik yang mendasari jenis mikrocomb baharu ini, yang dikenali sebagai mikrocomb dipacu secara parametrik, boleh membawa kepada kemajuan penting yang lain. Satu contoh ialah potensi peningkatan dalam bunyi yang berkaitan dengan gigi individu mikrocomb.
Dalam sikat yang dihasilkan oleh laser tunggal, laser pam secara langsung hanya memahat gigi tengah. Akibatnya, gigi menjadi lebih lebar semakin jauh dari pusat sikat. Itu tidak diingini, kerana gigi yang lebih lebar tidak dapat mengukur frekuensi dengan tepat seperti yang lebih sempit.
Dalam sistem sikat baharu, dua laser pam membentuk setiap gigi. Mengikut teori, itu sepatutnya menghasilkan satu set gigi yang semuanya sama sempit, meningkatkan ketepatan pengukuran. Para penyelidik kini menguji sama ada ramalan teori ini berlaku untuk mikrocomb yang mereka reka.
Sistem dua laser menawarkan satu lagi kelebihan yang berpotensi: Ia menghasilkan soliton yang terdapat dalam dua jenis, yang boleh disamakan dengan tanda positif atau negatif. Sama ada soliton tertentu adalah negatif atau positif adalah rawak semata-mata kerana ia timbul daripada sifat kuantum interaksi antara kedua-dua laser.
Ini mungkin membolehkan soliton membentuk penjana nombor rawak yang sempurna, yang memainkan peranan penting dalam mencipta kod kriptografi yang selamat dan dalam menyelesaikan beberapa masalah statistik dan kuantum yang sebaliknya mustahil untuk diselesaikan dengan komputer biasa bukan kuantum.