Op chips gebaseerde apparaten, bekend als frequentiekammen, die de frequentie van lichtgolven meten met ongeëvenaarde precisie, hebben een revolutie teweeggebracht in de tijdwaarneming, de detectie van planeten buiten ons zonnestelsel en snelle optische communicatie.
Nu hebben wetenschappers van het National Institute of Standards en Technologie (NIST) en hun medewerkers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de kammen te maken die belooft hun toch al voortreffelijke nauwkeurigheid te vergroten en hen in staat te stellen licht te meten over een bereik van frequenties dat voorheen ontoegankelijk was. Het grotere bereik maakt het mogelijk dat frequentiekammen cellen en ander biologisch materiaal kunnen onderzoeken.
De onderzoekers beschrijven hun werk in Natuur Fotonica. Het team bestaat uit François Leo en zijn collega's van de Université Libre de Bruxelles, België, Julien Fatome van de Université de Bourgogne in Dijon, Frankrijk, en wetenschappers van het Joint Quantum Institute, een onderzoekspartnerschap tussen NIST en de Universiteit van Maryland.
De nieuwe apparaten, die op een kleine glazen chip zijn vervaardigd, werken op een fundamenteel andere manier dan eerdere op chip gebaseerde frequentiekammen, ook wel microcombs genoemd.
Een frequentiekam fungeert als een liniaal voor licht. Net zoals de gelijkmatig verdeelde maatstreepjes op een gewone liniaal de lengte van objecten meten, meten de gelijkmatig verdeelde frequentiepieken op een microkam de oscillaties, of frequenties, van lichtgolven.
Onderzoekers gebruiken doorgaans drie elementen om een microkam te bouwen: een enkele laser, bekend als de pomplaser; een kleine ringvormige resonator, het belangrijkste element; en een miniatuurgolfgeleider die licht tussen de twee transporteert. Laserlicht dat in de golfgeleider wordt geïnjecteerd, komt de resonator binnen en racet rond de ring. Door de frequentie van de laser zorgvuldig aan te passen, kan het licht in de ring een soliton worden: een eenzame golfpuls die zijn vorm behoudt terwijl hij beweegt.
Elke keer dat de soliton een rondje rond de ring maakt, splitst een deel van de puls zich af en komt de golfgeleider binnen. Al snel vult een hele reeks van smalle pulsen – die op pieken lijken – de golfgeleider, waarbij elke piek in de tijd wordt gescheiden door hetzelfde vaste interval, de tijd die de soliton nodig had om één ronde te voltooien. De pieken komen overeen met een enkele set gelijkmatig verdeelde frequenties en vormen de maatstreepjes, of ‘tanden’, van de frequentiekam.
Deze methode voor het genereren van een microkam, hoewel effectief, kan alleen kammen produceren met een frequentiebereik gecentreerd op de frequentie van de pomplaser. Om die beperking te overwinnen, hebben NIST-onderzoekers Grégory Moille en Kartik Srinivasan, in samenwerking met een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Miro Erkintalo van de Universiteit van Auckland in Nieuw-Zeeland en het Dodd-Walls Center for Photonic and Quantum Technologies, theoretisch voorspeld en vervolgens experimenteel aangetoond een nieuw proces voor het produceren van een soliton-microkam.
In plaats van één enkele laser te gebruiken, maakt de nieuwe methode gebruik van twee pomplasers, die elk licht met een andere frequentie uitzenden. De complexe interactie tussen de twee frequenties levert een soliton op waarvan de centrale frequentie precies tussen de twee laserkleuren ligt.
Met de methode kunnen wetenschappers kammen genereren met nieuwe eigenschappen in een frequentiebereik dat niet langer wordt beperkt door pomplasers. Door kammen te genereren die een andere reeks frequenties overspannen dan de geïnjecteerde pomplaser, zouden de apparaten wetenschappers bijvoorbeeld in staat kunnen stellen de samenstelling van biologische verbindingen te bestuderen.
Naast dit praktische voordeel kan de fysica die ten grondslag ligt aan dit nieuwe type microkam, bekend als een parametrisch aangedreven microkam, tot andere belangrijke vooruitgang leiden. Eén voorbeeld is een potentiële verbetering van het geluid dat gepaard gaat met de individuele tanden van de microkam.
In een kam die wordt gegenereerd door een enkele laser, beeldhouwt de pomplaser rechtstreeks alleen de centrale tand. Als gevolg hiervan worden de tanden breder naarmate ze verder van het midden van de kam liggen. Dat is niet wenselijk, omdat bredere tanden frequenties niet zo nauwkeurig kunnen meten als smallere.
In het nieuwe kamsysteem vormen de twee pomplasers elke tand. Volgens de theorie zou dat een stel tanden moeten opleveren die allemaal even smal zijn, waardoor de nauwkeurigheid van de metingen verbetert. De onderzoekers testen nu of deze theoretische voorspelling geldt voor de microcombs die ze hebben vervaardigd.
Het twee-lasersysteem biedt nog een potentieel voordeel: het produceert solitonen die in twee varianten voorkomen, wat kan worden vergeleken met een positief of een negatief teken. Of een bepaalde soliton negatief of positief is, is puur willekeurig omdat het voortkomt uit de kwantumeigenschappen van de interactie tussen de twee lasers.
Dit zou de solitonen in staat kunnen stellen een perfecte generator van willekeurige getallen te vormen, die een sleutelrol speelt bij het creëren van veilige cryptografische codes en bij het oplossen van enkele statistische en kwantumproblemen die anders onmogelijk op te lossen zouden zijn met een gewone, niet-kwantumcomputer.