นักวิจัยพัฒนาหวีความถี่รูปแบบใหม่ที่สัญญาว่าจะเพิ่มความแม่นยำในการบอกเวลาให้ดียิ่งขึ้น

อุปกรณ์ที่ใช้ชิปที่เรียกว่าหวีความถี่ ซึ่งวัดความถี่ของคลื่นแสงด้วยความแม่นยำที่ไม่มีใครเทียบได้ ได้ปฏิวัติการจับเวลา การตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเรา และการสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูง

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันมาตรฐานแห่งชาติและ เทคโนโลยี (NIST) และผู้ทำงานร่วมกันได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการสร้างรวงผึ้งที่สัญญาว่าจะเพิ่มความแม่นยำที่ยอดเยี่ยมอยู่แล้ว และช่วยให้สามารถวัดแสงในช่วงความถี่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ก่อนหน้านี้ ช่วงที่ขยายจะช่วยให้หวีความถี่สามารถตรวจสอบเซลล์และวัสดุชีวภาพอื่นๆ

นักวิจัยอธิบายงานของพวกเขาใน Photonics ธรรมชาติ. ทีมงานประกอบด้วยFrançois Leo และเพื่อนร่วมงานของเขาจากUniversité Libre de Bruxelles ประเทศเบลเยียม Julien Fatome จากUniversité de Bourgogne ในเมือง Dijon ประเทศฝรั่งเศสและนักวิทยาศาสตร์จาก Joint Quantum Institute ซึ่งเป็นความร่วมมือด้านการวิจัยระหว่าง NIST และ University of Maryland

อุปกรณ์ใหม่ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นบนชิปแก้วขนาดเล็ก มีการทำงานในลักษณะพื้นฐานที่แตกต่างจากหวีความถี่ที่ใช้ชิปรุ่นก่อนๆ หรือที่เรียกว่าไมโครคอมบ์

หวีความถี่ทำหน้าที่เป็นไม้บรรทัดสำหรับแสง เช่นเดียวกับที่เครื่องหมายถูกที่มีระยะห่างสม่ำเสมอบนไม้บรรทัดธรรมดาจะวัดความยาวของวัตถุ ความถี่ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วบนไมโครคอมบ์จะวัดการแกว่งหรือความถี่ของคลื่นแสง

โดยทั่วไปแล้วนักวิจัยจะใช้องค์ประกอบสามประการในการสร้างไมโครคอมบ์ ได้แก่ เลเซอร์ตัวเดียวหรือที่เรียกว่าเลเซอร์ปั๊ม เครื่องสะท้อนเสียงรูปวงแหวนเล็กๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุด และท่อนำคลื่นขนาดเล็กที่ส่งแสงระหว่างทั้งสอง แสงเลเซอร์ที่ฉีดเข้าไปในท่อนำคลื่นจะเข้าสู่ตัวสะท้อนและวิ่งไปรอบวงแหวน ด้วยการปรับความถี่ของเลเซอร์อย่างระมัดระวัง แสงภายในวงแหวนก็จะกลายเป็นโซลิตัน ซึ่งเป็นพัลส์คลื่นเดี่ยวที่คงรูปร่างของมันไว้ในขณะที่มันเคลื่อนที่

แต่ละครั้งที่โซลิตันเดินทางรอบวงแหวนครบหนึ่งรอบ ชีพจรส่วนหนึ่งจะแยกออกและเข้าไปในท่อนำคลื่น ในไม่ช้า ขบวนของพัลส์แคบๆ ทั้งหมดซึ่งมีลักษณะคล้ายเดือยจะเข้ามาเติมเต็มท่อนำคลื่น โดยเดือยแต่ละอันแยกจากกันด้วยเวลาตามช่วงเวลาที่คงที่เท่ากัน ซึ่งเป็นเวลาที่โซลิตอนใช้เพื่อครบหนึ่งรอบ เดือยแหลมสอดคล้องกับชุดความถี่ที่เว้นระยะเท่าๆ กันชุดเดียว และสร้างเครื่องหมายถูกหรือ “ฟัน” ของหวีความถี่

วิธีการสร้างไมโครคอมบ์นี้ แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพ แต่ก็สามารถผลิตหวีที่มีช่วงความถี่ที่ศูนย์กลางอยู่ที่ความถี่ของเลเซอร์ปั๊มเท่านั้น เพื่อเอาชนะข้อจำกัดดังกล่าว นักวิจัยของ NIST Grégory Moille และ Kartik Srinivasan ซึ่งทำงานร่วมกับทีมนักวิจัยนานาชาติที่นำโดย Miro Erkintalo จากมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์ในนิวซีแลนด์ และศูนย์ Dodd-Walls สำหรับเทคโนโลยีโฟโตนิกและควอนตัม ทำนายตามทฤษฎีแล้วจึงสาธิตการทดลอง กระบวนการใหม่ในการผลิตไมโครคอมบ์โซลิตัน

แทนที่จะใช้เลเซอร์ตัวเดียว วิธีการใหม่นี้ใช้เลเซอร์ปั๊มสองตัว ซึ่งแต่ละอันจะปล่อยแสงที่ความถี่ต่างกัน ปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างสองความถี่ทำให้เกิดโซลิตันซึ่งมีความถี่กลางอยู่ระหว่างสีเลเซอร์ทั้งสองพอดี

วิธีการนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างหวีที่มีคุณสมบัติแปลกใหม่ในช่วงความถี่ที่ไม่ถูกจำกัดด้วยเลเซอร์ปั๊มอีกต่อไป ด้วยการสร้างหวีที่ครอบคลุมชุดความถี่ที่แตกต่างจากเลเซอร์ปั๊มแบบฉีด อุปกรณ์ดังกล่าวอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาองค์ประกอบของสารประกอบทางชีวภาพได้

นอกเหนือจากข้อได้เปรียบในทางปฏิบัตินี้แล้ว ฟิสิกส์ที่รองรับไมโครคอมบ์ชนิดใหม่นี้ หรือที่เรียกว่าไมโครคอมบ์ที่ขับเคลื่อนด้วยพาราเมตริก อาจนำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญอื่นๆ ตัวอย่างหนึ่งคือการปรับปรุงที่เป็นไปได้ของเสียงที่เกี่ยวข้องกับฟันแต่ละซี่ของไมโครคอมบ์

ในหวีที่สร้างด้วยเลเซอร์เพียงตัวเดียว เลเซอร์ปั๊มจะแกะสลักเฉพาะฟันซี่กลางโดยตรง ผลก็คือ ฟันจะกว้างขึ้นเมื่ออยู่ห่างจากศูนย์กลางของหวีมากขึ้น นั่นไม่เป็นที่พึงปรารถนา เนื่องจากฟันที่กว้างขึ้นไม่สามารถวัดความถี่ได้อย่างแม่นยำเท่ากับฟันที่แคบกว่า

ในระบบหวีใหม่ เลเซอร์ปั๊มสองตัวจะสร้างรูปร่างของฟันแต่ละซี่ ตามทฤษฎีแล้ว นั่นควรสร้างชุดฟันที่แคบเท่ากัน ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัด ขณะนี้นักวิจัยกำลังทดสอบว่าการทำนายทางทฤษฎีนี้เป็นจริงสำหรับไมโครคอมบ์ที่พวกเขาสร้างขึ้นหรือไม่

ระบบเลเซอร์สองตัวมีข้อได้เปรียบที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่ง นั่นคือ ผลิตโซลิตอนที่มีสองแบบ ซึ่งสามารถเปรียบได้กับการมีเครื่องหมายบวกหรือลบ ไม่ว่าโซลิตันใด ๆ จะเป็นลบหรือบวกนั้น จะเป็นแบบสุ่มล้วนๆ เพราะมันเกิดขึ้นจากคุณสมบัติควอนตัมของอันตรกิริยาระหว่างเลเซอร์ทั้งสอง

สิ่งนี้อาจทำให้โซลิตอนสร้างเครื่องกำเนิดตัวเลขสุ่มที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการสร้างรหัสเข้ารหัสที่ปลอดภัย และในการแก้ปัญหาทางสถิติและควอนตัมบางประการที่อาจเป็นไปไม่ได้ที่จะแก้ไขด้วยคอมพิวเตอร์ธรรมดาที่ไม่ใช่ควอนตัม