Các thiết bị dựa trên chip được gọi là lược tần số, đo tần số sóng ánh sáng với độ chính xác vô song, đã cách mạng hóa việc đo thời gian, phát hiện các hành tinh bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta và truyền thông quang tốc độ cao.
Hiện nay, các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Tiêu chuẩn Quốc gia Công nghệ (NIST) và các cộng tác viên của họ đã phát triển một phương pháp mới để tạo ra những chiếc lược hứa hẹn sẽ nâng cao độ chính xác vốn đã tinh tế của họ và cho phép họ đo ánh sáng trên một dải tần số mà trước đây không thể tiếp cận được. Phạm vi mở rộng sẽ cho phép lược tần số thăm dò các tế bào và vật liệu sinh học khác.
Các nhà nghiên cứu mô tả công việc của họ trong Thiên nhiên Photonics. Nhóm nghiên cứu bao gồm François Leo và các đồng nghiệp của ông từ Đại học Libre de Bruxelles, Bỉ, Julien Fatome thuộc Đại học de Bourgogne ở Dijon, Pháp, và các nhà khoa học từ Viện Lượng tử chung, một đối tác nghiên cứu giữa NIST và Đại học Maryland.
Các thiết bị mới, được chế tạo trên một con chip thủy tinh nhỏ, hoạt động theo cách khác về cơ bản so với các tổ hợp tần số dựa trên chip trước đây, còn được gọi là microcombs.
Lược tần số đóng vai trò như thước đo ánh sáng. Giống như các dấu tích cách đều nhau trên thước thông thường đo chiều dài của vật thể, các xung tần số cách đều nhau trên microcomb đo dao động hoặc tần số của sóng ánh sáng.
Các nhà nghiên cứu thường sử dụng ba yếu tố để chế tạo một vi tổ chức: một tia laser đơn lẻ, được gọi là laser bơm; một bộ cộng hưởng hình vòng nhỏ xíu, bộ phận quan trọng nhất; và một ống dẫn sóng thu nhỏ vận chuyển ánh sáng giữa hai ống. Ánh sáng laser được đưa vào ống dẫn sóng đi vào bộ cộng hưởng và chạy vòng quanh vòng. Bằng cách điều chỉnh cẩn thận tần số của tia laser, ánh sáng bên trong vòng có thể trở thành soliton – một xung sóng đơn độc giữ nguyên hình dạng khi nó di chuyển.
Mỗi khi soliton hoàn thành một vòng quanh vòng, một phần xung sẽ tách ra và đi vào ống dẫn sóng. Chẳng bao lâu, toàn bộ chuỗi xung hẹp – giống như các xung nhọn – sẽ lấp đầy ống dẫn sóng, với mỗi xung cách nhau theo thời gian trong cùng một khoảng thời gian cố định, thời gian để soliton hoàn thành một vòng. Các gai tương ứng với một tập hợp các tần số cách đều nhau và tạo thành các dấu tích hoặc “răng” của lược tần số.
Phương pháp tạo ra microcomb này, mặc dù hiệu quả, nhưng chỉ có thể tạo ra những chiếc lược có dải tần số tập trung vào tần số của tia laser bơm. Để khắc phục hạn chế đó, các nhà nghiên cứu Grégory Moille và Kartik Srinivasan của NIST, hợp tác với một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do Miro Erkintalo thuộc Đại học Auckland ở New Zealand và Trung tâm Công nghệ Lượng tử và Quang tử Dodd-Walls dẫn đầu, đã dự đoán về mặt lý thuyết và sau đó chứng minh bằng thực nghiệm. một quy trình mới để sản xuất tổ chức vi mô soliton.
Thay vì sử dụng một tia laser duy nhất, phương pháp mới sử dụng hai tia laser bơm, mỗi tia phát ra ánh sáng ở tần số khác nhau. Sự tương tác phức tạp giữa hai tần số tạo ra soliton có tần số trung tâm nằm chính xác giữa hai màu laser.
Phương pháp này cho phép các nhà khoa học tạo ra những chiếc lược có đặc tính mới trong dải tần không còn bị giới hạn bởi laser bơm. Ví dụ, bằng cách tạo ra những chiếc lược trải rộng trên một tập hợp tần số khác với laser bơm được tiêm, các thiết bị này có thể cho phép các nhà khoa học nghiên cứu thành phần của các hợp chất sinh học.
Ngoài lợi thế thực tế này, cơ sở vật lý làm nền tảng cho loại vi tổ chức mới này, được gọi là vi tổ hợp điều khiển theo tham số, có thể dẫn đến những tiến bộ quan trọng khác. Một ví dụ là khả năng cải thiện tiếng ồn liên quan đến từng răng của vi tổ chức.
Trong một chiếc lược được tạo ra bởi một tia laser duy nhất, tia laser bơm chỉ điêu khắc trực tiếp vào răng trung tâm. Kết quả là, răng càng rộng ra càng xa tâm lược. Điều đó là không mong muốn vì răng rộng hơn không thể đo tần số chính xác như răng hẹp hơn.
Trong hệ thống lược mới, hai tia laser bơm sẽ định hình từng chiếc răng. Theo lý thuyết, điều đó sẽ tạo ra một bộ răng đều hẹp như nhau, cải thiện độ chính xác của phép đo. Các nhà nghiên cứu hiện đang kiểm tra xem dự đoán lý thuyết này có đúng với các vi tổ chức mà họ đã chế tạo hay không.
Hệ thống hai tia laser mang lại một lợi thế tiềm năng khác: Nó tạo ra soliton có hai loại, có thể được coi là có dấu dương hoặc dấu âm. Việc một soliton cụ thể là âm hay dương hoàn toàn là ngẫu nhiên vì nó phát sinh từ các tính chất lượng tử của sự tương tác giữa hai tia laser.
Điều này có thể cho phép soliton tạo thành một bộ tạo số ngẫu nhiên hoàn hảo, đóng vai trò chính trong việc tạo mã mật mã an toàn và giải quyết một số vấn đề thống kê và lượng tử mà một máy tính phi lượng tử thông thường không thể giải quyết được.