Xu Yi, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della Virginia, ha collaborato con il gruppo di Yun-Feng Xiao dell'Università di Pechino e i ricercatori del Caltech per ottenere il più ampio intervallo spettrale registrato in un microcomb.

Il loro documento sottoposto a revisione paritaria, "Microcomb a due ottave assistiti dal caos, " è stato pubblicato l'11 maggio 2020, in Comunicazioni sulla natura , una rivista multidisciplinare dedicata alla pubblicazione di ricerche di alta qualità in tutte le aree del biologico, Salute, fisico, scienze chimiche e della terra.

Yi e Xiao hanno co-diretto questo lavoro e sono gli autori corrispondenti. I coautori includono Hao-Jing Chen, Qing-Xin Ji, Qi Tao Cao, Qihuang Gong all'Università di Pechino, e Heming Wang e Qi-Fan Yang al Caltech. Il gruppo di Yi è sponsorizzato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti. Il gruppo di Xiao è finanziato dalla National Natural Science Foundation of China e dal National Key Research and Development Program of China.

Il team ha applicato la teoria del caos a un tipo specifico di dispositivo fotonico chiamato pettine di frequenza basato su microrisonatori, o micropettine. Il microcomb converte in modo efficiente i fotoni da lunghezze d'onda singole a multiple. I ricercatori hanno dimostrato il più ampio (cioè, più colorato) intervallo spettrale di microcomb mai registrato. Man mano che i fotoni si accumulano e il loro movimento si intensifica, il pettine di frequenza genera luce nello spettro dall'ultravioletto all'infrarosso.

"È come trasformare una lanterna magica monocromatica in un proiettore cinematografico in technicolor, " disse Yi. L'ampio spettro di luce generato dai fotoni ne aumenta l'utilità in spettroscopia, orologi ottici e calibrazione astronomica per la ricerca di esopianeti.

Il microcomb funziona collegando due elementi interdipendenti:un microrisonatore, che è una struttura micrometrica a forma di anello che avvolge i fotoni e genera il pettine di frequenza, e una guida d'onda del bus di uscita. La guida d'onda regola l'emissione di luce:solo la luce di velocità abbinata può uscire dal risonatore alla guida d'onda. Come ha spiegato Xiao, "È simile a trovare una rampa di uscita da un'autostrada; non importa quanto velocemente guidi, l'uscita ha sempre un limite di velocità."

Il team di ricerca ha escogitato un modo intelligente per aiutare più fotoni a catturare la loro uscita. La loro soluzione è deformare il microrisonatore in modo da creare un movimento caotico della luce all'interno dell'anello. "Questo movimento caotico altera la velocità della luce a tutte le lunghezze d'onda disponibili, ", ha affermato Hao-Jing Chen, coautore e membro del team di ricerca dell'Università di Pechino. Quando la velocità nel risonatore corrisponde a quella della guida d'onda del bus di uscita in un momento specifico, la luce uscirà dal risonatore e fluirà attraverso la guida d'onda.

L'adozione da parte del team della teoria del caos è una conseguenza del loro precedente studio sulla trasformazione dell'impulso a banda larga assistita dal caos in microcavità deformate, che è stato pubblicato in Scienza nel 2017 ( Scienza 358, 344-347).

Questa ricerca si basa sui punti di forza di UVA Engineering nella fotonica. Il dipartimento di ingegneria elettrica e informatica di Charles L. Brown ha solide basi nei materiali semiconduttori e nella fisica dei dispositivi che si estende ai dispositivi optoelettronici avanzati. Il laboratorio di microfotonica di Yi conduce ricerche su risonatori fotonici integrati di alta qualità, con un duplice focus sui pettini di frequenza ottici basati su microrisonatori e sul calcolo quantistico fotonico basato su variabili continue.

"L'introduzione del caos e della deformazione della cavità non solo fornisce un nuovo meccanismo, ma anche un ulteriore grado di libertà nella progettazione di dispositivi fotonici, " Yi ha detto. "Questo potrebbe accelerare la ricerca sull'ottica e la fotonica nell'informatica quantistica e in altre applicazioni che sono vitali per la futura crescita economica e sostenibilità".

Comunicazioni sulla natura ha pubblicato questa ricerca l'11 maggio 2020.