Piepteni de frecvență pe cip pentru ceasuri atomice portabile
Cercetătorii de la Joint Quantum Institute, împreună cu o colaborare internațională, au dezvoltat un nou tip de pieptene de frecvență optic, un dispozitiv care funcționează ca o riglă pentru măsurarea frecvențelor luminii. Noul design elimină necesitatea echipamentelor voluminoase și permite adaptarea unui singur dispozitiv la diverse sarcini practice de măsurare. Rezultatele au fost publicate în revista Nature.
Pieptenii de frecvență optică produc o gamă de frecvențe luminoase spațiate la intervale regulate, asemenea liniilor de pe o riglă de măsurat. Ei permit măsurarea diferenței dintre frecvențe distincte și sunt esențiali pentru numeroase experimente care folosesc lumina. Versiunile mari de laborator au demonstrat utilitatea lor prin crearea celor mai precise ceasuri atomice, dar rămân incomode și imposibil de transportat.
Noua abordare se bazează pe un fenomen numit solitoni de cavitate cu excitație parametrică, descris teoretic în 2023 de o echipă condusă de Miro Erkintalo de la Universitatea din Auckland. Fenomenul implică circulația luminii de la două lasere printr-un microrezonator inelar, unde lumina interacționează cu materialul și generează o serie de puluri utilizabile ca pieptene de frecvență.
Demonstrația inițială din 2024 a produs mai multe seturi suprapuse de linii de frecvență, ceea ce făcea pieptenele aproape inutilizabil. În noul studiu, cercetătorii au combinat această abordare cu o tehnică de sincronizare care stabilizează liniile, aliniindu-le într-un singur set. Metoda a fost numită SParCS, de la soliton de cavitate auto-aliniat cu excitație parametrică.
Spre deosebire de abordările anterioare, care foloseau un singur laser și produceau linii tot mai slabe spre margini, noua metodă folosește două lasere la frecvențe distincte, care servesc drept capete ale pieptenului. Liniile suplimentare se formează între acestea, iar puterea este concentrată spre margini, acolo unde măsurătorile practice sunt critice.
Această configurație permite acoperirea unei octave de frecvență și facilitează determinarea decalajului de frecvență zero, necesar pentru măsurători exacte. Deși folosește două lasere, configurația totală rămâne mai compactă decât soluțiile anterioare, care necesitau echipamente suplimentare de amplificare.
Echipa a testat dispozitivul în sarcini comune: legarea microundelor de undele optice și invers, monitorizarea luminii în ceasuri atomice și producerea de microunde cu zgomot redus. Toate demonstrațiile au folosit același dispozitiv, cu schimbarea simplă a surselor de lumină.
Rezultatele au fost comparate cu cele ale unui sistem de laborator, iar pieptenele pe cip a produs frecvențe echivalente și a atins niveluri similare de stabilitate și zgomot. Cercetătorii au arătat că dispozitivul poate produce microunde stabile necesare unui ceas atomic și poate măsura frecvența luminii de intrare cu o precizie de aproximativ 100.000 de oscilații pe secundă față de valoarea așteptată.
Adaptabilitatea dispozitivului reduce cerințele de precizie la fabricație și facilitează producția de masă. Echipa a demonstrat că funcționează cu dispozitive realizate în mai multe configurații, cu ajustări simple ale experimentului.
În viitor, cercetătorii vor să rafineze dispozitivele și să extindă gama de frecvențe acoperită, cu obiectivul pe termen lung de a folosi un singur laser care alimentează ambele capete ale pieptenului. Laboratorul a trecut deja la această abordare pentru toate experimentele sale, reușind să stabilizeze de peste zece ori mai mulți micropiepteni într-un an decât în toți anii anteriori la un loc.
