Dispositivos baseados em chips conhecidos como pentes de frequência, que medem a frequência das ondas de luz com precisão incomparável, revolucionaram a cronometragem, a detecção de planetas fora do nosso sistema solar e a comunicação óptica de alta velocidade.
Agora, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Equipar (NIST) e os seus colaboradores desenvolveram uma nova forma de criar os pentes que promete aumentar a sua já requintada precisão e permitir-lhes medir a luz numa gama de frequências que antes era inacessível. O alcance estendido permitirá que pentes de frequência sondem células e outros materiais biológicos.
Os pesquisadores descrevem seu trabalho em Nature Photonics. A equipe inclui François Leo e seus colegas da Université Libre de Bruxelles, Bélgica, Julien Fatome da Université de Bourgogne em Dijon, França, e cientistas do Joint Quantum Institute, uma parceria de pesquisa entre o NIST e a Universidade de Maryland.
Os novos dispositivos, fabricados em um pequeno chip de vidro, operam de maneira fundamentalmente diferente dos anteriores pentes de frequência baseados em chips, também conhecidos como microcombs.
Um pente de frequência atua como uma régua para a luz. Assim como as marcas de escala uniformemente espaçadas em uma régua comum medem o comprimento dos objetos, os picos de frequência uniformemente espaçados em uma microcomb medem as oscilações, ou frequências, das ondas de luz.
Os pesquisadores normalmente empregam três elementos para construir um microcomb: um único laser, conhecido como laser de bomba; um minúsculo ressonador em forma de anel, o elemento mais importante; e um guia de ondas em miniatura que transporta luz entre os dois. A luz laser que é injetada no guia de ondas entra no ressonador e corre ao redor do anel. Ao ajustar cuidadosamente a frequência do laser, a luz dentro do anel pode tornar-se um sóliton – um pulso de onda solitário que preserva a sua forma à medida que se move.
Cada vez que o sóliton completa uma volta ao redor do anel, uma parte do pulso se divide e entra no guia de ondas. Logo, um trem inteiro de pulsos estreitos – que se assemelham a pontas – preenche o guia de ondas, com cada ponta separada no tempo pelo mesmo intervalo fixo, o tempo que o sóliton leva para completar uma volta. Os picos correspondem a um único conjunto de frequências uniformemente espaçadas e formam as marcas, ou “dentes”, do pente de frequência.
Este método de geração de um microcomb, embora eficaz, só pode produzir pentes com uma faixa de frequências centrada na frequência da bomba laser. Para superar essa limitação, os pesquisadores do NIST Grégory Moille e Kartik Srinivasan, trabalhando com uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Miro Erkintalo da Universidade de Auckland na Nova Zelândia e do Centro Dodd-Walls para Tecnologias Fotônicas e Quânticas, previram teoricamente e depois demonstraram experimentalmente um novo processo para produção de uma micropente soliton.
Em vez de empregar um único laser, o novo método utiliza duas bombas de laser, cada uma das quais emite luz em uma frequência diferente. A complexa interação entre as duas frequências produz um sóliton cuja frequência central fica exatamente entre as duas cores do laser.
O método permite que os cientistas gerem pentes com propriedades inovadoras em uma faixa de frequência que não é mais limitada por bombas de laser. Ao gerar pentes que abrangem um conjunto de frequências diferente do laser da bomba injetada, os dispositivos poderiam, por exemplo, permitir que os cientistas estudassem a composição de compostos biológicos.
Além desta vantagem prática, a física subjacente a este novo tipo de microcomb, conhecido como microcomb acionado parametricamente, pode levar a outros avanços importantes. Um exemplo é uma melhoria potencial no ruído associado aos dentes individuais do micropente.
Em um pente gerado por um único laser, o laser da bomba esculpe diretamente apenas o dente central. Como resultado, os dentes ficam mais largos quanto mais distantes do centro do pente. Isso não é desejável, porque dentes mais largos não conseguem medir frequências com tanta precisão quanto dentes mais estreitos.
No novo sistema de pente, os dois lasers de bomba moldam cada dente. Segundo a teoria, isso deveria produzir uma dentição igualmente estreita, melhorando a precisão das medições. Os investigadores estão agora a testar se esta previsão teórica é verdadeira para as microcombes que fabricaram.
O sistema de dois lasers oferece outra vantagem potencial: produz sólitons que vêm em duas variedades, que podem ser comparadas a ter um sinal positivo ou negativo. O fato de um sóliton específico ser negativo ou positivo é puramente aleatório porque surge das propriedades quânticas da interação entre os dois lasers.
Isto pode permitir que os sólitons formem um gerador de números aleatórios perfeito, que desempenha um papel fundamental na criação de códigos criptográficos seguros e na resolução de alguns problemas estatísticos e quânticos que de outra forma seriam impossíveis de resolver com um computador comum não quântico.