I pettini di frequenza ottica sono ampiamente utilizzati, strumenti di alta precisione per misurare e rilevare diverse frequenze, a.k.a. colori:di luce. A differenza dei laser convenzionali, che emettono una sola frequenza, questi laser emettono più frequenze contemporaneamente. Le frequenze equidistanti ricordano i denti di un pettine. I pettini a frequenza ottica vengono utilizzati per tutto, dalla misurazione delle impronte digitali di molecole specifiche al rilevamento di esopianeti distanti.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) stanno esplorando la possibilità di utilizzare un pettine di frequenza a infrarossi per generare frequenze terahertz sfuggenti. Queste frequenze, che si trovano nello spettro elettromagnetico tra le onde radio e la luce infrarossa, hanno promesso da tempo di trasformare le comunicazioni e il rilevamento, ma sono molto difficili da reperire. Sfruttando uno stato laser scoperto di recente, I ricercatori SEAS hanno scoperto un pettine di frequenza a infrarossi in un laser a cascata quantica che offre un nuovo modo per generare frequenze terahertz.

Soprannominato un pettine di frequenza armonica, questo nuovo sistema produce uno spettro di denti con spaziatura decine di volte maggiore rispetto ai tradizionali pettini di frequenza. La spaziatura ampia ma precisa consente a queste modalità di luce di battere insieme per produrre toni terahertz estremamente puri.

La ricerca è descritta in Fotonica della natura .

"La scoperta dello stato armonico dei laser a cascata quantistica è sorprendente dal punto di vista della fisica dei laser, " disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica e autore senior dell'articolo. "Fino a poco tempo fa, si pensava che i laser multimodali avrebbero normalmente laserato su tutte le possibili frequenze della cavità. Nello stato armonico, molte frequenze della cavità vengono saltate. Ancora più notevole è che questa scoperta apre opportunità impreviste in regioni inutilizzate dello spettro elettromagnetico, il terahertz."

Nei pettini di frequenza tradizionali, i denti sono separati da una piccola frequenza dettata dalla lunghezza caratteristica della cavità laser, il che significa che i denti si trovano vicini. Il pettine di frequenza armonica, però, può usare un multiplo maggiore di quella frequenza.

"Con questo nuovo regime di pettine possiamo aggirare le rigide limitazioni imposte dalla lunghezza della cavità e raggiungere un grado di flessibilità senza precedenti nel regno dei pettini di frequenza laser a cascata quantistica, " disse Marco Piccardo, un borsista post-dottorato nel laboratorio Capasso e co-primo autore del documento.

La chiave della ricerca è stata dimostrare che questi denti molto distanziati erano davvero equidistanti. Usando un altro pettine di riferimento, il team è stato in grado di studiare lo spettro del pettine di frequenza armonica ad altissima risoluzione.

"Mostriamo che le linee sono equidistanti con un'incertezza di soli 300 hertz, che quantifica la precisione relativa di questa misura a cinque parti per trilione, " ha detto Dmitry Kazakov, uno stagista di ricerca in visita nel gruppo Capasso e co-autore del documento. "È come se si potesse misurare la distanza dalla Terra alla Luna ed essere meno dello spessore di un capello umano".

La maggior parte degli attuali generatori di terahertz utilizza grandi, sistemi ottici complessi che operano a temperature prossime allo zero per produrre frequenze terahertz. Il pettine a frequenza armonica funziona a temperatura ambiente, utilizza laser a cascata quantica commerciali, e si avvia da solo, il che significa che il laser può passare automaticamente a questo regime quando viene iniettata corrente elettrica nel dispositivo.

"Questo apre applicazioni completamente nuove per i pettini di frequenza, soprattutto nelle comunicazioni wireless, " ha detto Capasso. "Prevediamo che nel prossimo futuro questo regime a pettine consentirà una nuova classe di modem chip-scale operanti a frequenze terahertz, soddisfare la sempre crescente domanda dei consumatori di comunicazioni digitali ad alta velocità di trasmissione dati."