Una nuova ricerca fa luce sulla fisica fondamentale dei pettini di frequenza, offrendo informazioni sulle capacità di risoluzione dei problemi della natura e sui promettenti progressi tecnologici. Credito:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
La natura ha un modo per trovare soluzioni ottimali a problemi complessi. Per esempio, nonostante i miliardi di modi in cui una singola proteina si ripiega, le proteine si ripiegano sempre in modo da ridurre al minimo l'energia potenziale. muffa di melma, un organismo senza cervello, trova sempre il percorso più efficiente verso una fonte di cibo, anche quando si trova di fronte a un ostacolo. Una corda per saltare, quando tenuto su entrambe le estremità, finisce sempre nella stessa forma, una curva nota come catenaria.
Questo tipo di ottimizzazione è spiegato da ciò che è noto come principio variazionale:qualsiasi altra deformazione, o variazione, della forma trovata dalla proteina, la muffa o la corda per saltare richiederebbero più energia.
Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hanno scoperto che alcuni laser utilizzano lo stesso principio. La ricerca è descritta in Lettere di revisione fisica .
I pettini di frequenza 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 frequenze multiple in sincronia, equidistanti per assomigliare ai denti di un pettine.
Quando un laser produce un pettine di frequenza, emette onde luminose che si ripetono periodicamente nel tempo. A seconda dei parametri del pettine, queste onde possono avere intensità costante pur variando di colore, o sembrano brevi impulsi di luce che si accumulano e diminuiscono di intensità.
I ricercatori sanno come i pettini producono impulsi, ma il modo in cui i cosiddetti laser a modulazione di frequenza possono mantenere un'intensità costante di fronte al cambiamento delle frequenze è stato un enigma di lunga durata.
I modi di un pettine di frequenza ottico (linee rosse) sono bloccati insieme da un principio variazionale. Questo principio definisce un percorso specifico (linea blu) nel vasto spazio parametrico del laser, che è preferito a qualsiasi altro percorso (linee grigie) ottenuto da piccole variazioni di questa traiettoria. Obbedendo a questo principio variazionale, il laser garantisce di massimizzare la sua potenza di uscita. Credito:Capasso Lab/Harvard SEAS
Il team di ricercatori, guidato da Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica, sono stati in grado di ricostruire su una scala temporale di un trilionesimo di secondo la forma d'onda emessa da sorgenti luminose note come laser a cascata quantica, ampiamente utilizzato in spettroscopia e rilevamento. Hanno scoperto che i laser scelgono di emettere onde luminose in un modo che non solo sopprime le fluttuazioni di intensità, portando a un'intensità costante nel tempo, ma massimizza anche la potenza.
"Abbiamo scoperto che un laser modulato in frequenza può regolare i parametri da solo, simile a un DJ che gira le manopole di un sintetizzatore musicale, per ridurre al minimo le fluttuazioni dell'onda di intensità emessa, " disse Marco Piccardo, un borsista post-dottorato presso SEAS e primo autore del documento. "Ruotare tutte queste manopole nel modo giusto non è un compito facile. Nel produrre una forma d'onda di intensità quasi piatta, il laser a modulazione di frequenza ha risolto un complesso problema di ottimizzazione, proprio come un computer analogico."
"Questa scoperta svela la fisica di una promettente tecnologia a pettine di frequenza, " ha detto Capasso. " Beneficiando di una modulazione di intensità minima all'uscita del laser, questi dispositivi potrebbero competere con i laser convenzionali con modalità a impulsi ultracorti nelle applicazioni di spettroscopia".
