Устройства на основе чипов, известные как частотные гребенки, которые измеряют частоту световых волн с беспрецедентной точностью, произвели революцию в хронометрировании, обнаружении планет за пределами нашей солнечной системы и высокоскоростной оптической связи.
Теперь ученые Национального института стандартов и Технологии (NIST) и их коллеги разработали новый способ создания гребен, который обещает повысить их и без того исключительную точность и позволить им измерять свет в диапазоне частот, который ранее был недоступен. Расширенный диапазон позволит частотным гребенкам исследовать клетки и другой биологический материал.
Исследователи описывают свою работу в Nature Photonics. В состав команды входят Франсуа Лео и его коллеги из Свободного университета Брюсселя, Бельгия, Жюльен Фатом из Университета Бургундии в Дижоне, Франция, а также ученые из Объединенного квантового института, исследовательского партнерства между NIST и Университетом Мэриленда.
Новые устройства, изготовленные на основе небольшого стеклянного чипа, работают принципиально иначе, чем предыдущие частотные гребенки на основе чипов, также известные как микрогребенки.
Частотная гребенка действует как линейка света. Точно так же, как равномерно расположенные отметки на обычной линейке измеряют длину объектов, равномерно расположенные пики частоты на микрогребенке измеряют колебания или частоты световых волн.
Для создания микрогребенки исследователи обычно используют три элемента: одиночный лазер, известный как лазер накачки; крохотный кольцевой резонатор, важнейший элемент; и миниатюрный волновод, передающий свет между ними. Лазерный свет, инжектируемый в волновод, попадает в резонатор и пробегает по кольцу. Тщательно регулируя частоту лазера, свет внутри кольца может стать солитоном — одиночным волновым импульсом, сохраняющим свою форму при движении.
Каждый раз, когда солитон совершает один оборот вокруг кольца, часть импульса отделяется и попадает в волновод. Вскоре волновод заполняет целая последовательность узких импульсов, напоминающих спайки, причем каждый спайк разделен во времени одним и тем же фиксированным интервалом — временем, за которое солитон совершает один круг. Пики соответствуют одному набору равномерно расположенных частот и образуют деления или «зубцы» частотной гребенки.
Этот метод создания микрогребенки, хотя и эффективен, позволяет создавать гребенки только с диапазоном частот, центрированным на частоте лазера накачки. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи NIST Грегори Мойль и Картик Сринивасан, работающие с международной командой исследователей во главе с Миро Эркинтало из Оклендского университета в Новой Зеландии и Центром фотонных и квантовых технологий Додда-Уоллса, теоретически предсказали, а затем экспериментально продемонстрировали новый процесс изготовления солитонной микрогребенки.
Вместо использования одного лазера в новом методе используются два лазера накачки, каждый из которых излучает свет на разной частоте. Сложное взаимодействие между двумя частотами создает солитон, центральная частота которого находится точно между двумя цветами лазера.
Этот метод позволяет ученым создавать расчески с новыми свойствами в диапазоне частот, который больше не ограничен лазерами накачки. Генерируя гребенки, которые охватывают другой набор частот, чем инжектируемый лазер накачки, устройства могут, например, позволить ученым изучать состав биологических соединений.
Помимо этого практического преимущества, физика, лежащая в основе этого нового типа микрогребенки, известной как микрогребень с параметрическим управлением, может привести к другим важным достижениям. Одним из примеров является потенциальное снижение шума, связанного с отдельными зубьями микрогребенки.
В расческе, генерируемой одним лазером, лазер накачки непосредственно лепит только центральный зуб. В результате зубья становятся шире, чем дальше они лежат от центра расчески. Это нежелательно, потому что более широкие зубы не могут измерять частоты так же точно, как более узкие.
В новой гребенчатой системе два лазера накачки формируют каждый зуб. Согласно теории, это должно привести к тому, что все зубы будут одинаково узкими, что повысит точность измерений. Сейчас исследователи проверяют, справедливо ли это теоретическое предсказание для изготовленных ими микросот.
Двухлазерная система предлагает еще одно потенциальное преимущество: она создает солитоны двух разновидностей, что можно сравнить с наличием либо положительного, либо отрицательного знака. Является ли конкретный солитон отрицательным или положительным, является чисто случайным, поскольку возникает из квантовых свойств взаимодействия между двумя лазерами.
Это может позволить солитонам сформировать идеальный генератор случайных чисел, который играет ключевую роль в создании безопасных криптографических кодов и в решении некоторых статистических и квантовых задач, которые в противном случае было бы невозможно решить с помощью обычного неквантового компьютера.