Proprio come un metro con centinaia di segni di graduazione può essere utilizzato per misurare le distanze con grande precisione, un dispositivo noto come pettine a frequenza laser, con le sue centinaia di spazi equidistanti, frequenze ben definite, può essere utilizzato per misurare i colori delle onde luminose con grande precisione.

Abbastanza piccolo da stare su un chip, versioni in miniatura di questi pettini, così chiamati perché il loro insieme di frequenze uniformemente spaziate ricorda i denti di un pettine, stanno rendendo possibile una nuova generazione di orologi atomici, un grande aumento del numero di segnali che viaggiano attraverso le fibre ottiche, e la capacità di discernere piccoli cambiamenti di frequenza nella luce delle stelle che suggeriscono la presenza di pianeti invisibili. La versione più recente di questi "microcomb" basati su chip " creato dai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università della California a Santa Barbara (UCSB), è pronta a far avanzare ulteriormente le misurazioni di tempo e frequenza migliorando ed estendendo le capacità di questi piccoli dispositivi.

Al centro di questi microcomb di frequenza si trova un microrisonatore ottico, un dispositivo a forma di anello della larghezza di un capello umano in cui la luce di un laser esterno scorre migliaia di volte fino a raggiungere un'elevata intensità. Microcomb, spesso in vetro o nitruro di silicio, tipicamente richiedono un amplificatore per la luce laser esterna, che può rendere complesso il pettine, ingombrante e costoso da produrre.

Gli scienziati del NIST e i loro collaboratori dell'UCSB hanno dimostrato che i micropettini creati dall'arseniuro di gallio e alluminio semiconduttore hanno due proprietà essenziali che li rendono particolarmente promettenti. I nuovi pettini funzionano a una potenza così bassa da non aver bisogno di un amplificatore, e possono essere manipolati per produrre un insieme di frequenze straordinariamente stabile, esattamente ciò che è necessario per utilizzare il pettine del microchip come strumento sensibile per misurare le frequenze con una precisione straordinaria. (La ricerca fa parte del programma NIST on a Chip.)

La nuova tecnologia a microcomb può aiutare gli ingegneri e gli scienziati a effettuare misurazioni di frequenza ottica di precisione al di fuori del laboratorio, ha detto lo scienziato del NIST Gregory Moille. Inoltre, il microcomb può essere prodotto in serie attraverso tecniche di nanofabbricazione simili a quelle già utilizzate per fabbricare la microelettronica.

I ricercatori dell'UCSB hanno condotto i primi sforzi nell'esame di microrisonatori composti da arseniuro di alluminio e gallio. I pettini di frequenza realizzati con questi microrisonatori richiedono solo un centesimo della potenza dei dispositivi fabbricati con altri materiali. Però, gli scienziati non erano stati in grado di dimostrare una proprietà chiave, che un insieme discreto di o molto stabile, frequenze potrebbero essere generate da un microrisonatore costituito da questo semiconduttore.

Il team del NIST ha affrontato il problema posizionando il microrisonatore all'interno di un apparato criogenico personalizzato che ha permesso ai ricercatori di sondare il dispositivo a temperature fino a 4 gradi sopra lo zero assoluto. L'esperimento a bassa temperatura ha rivelato che l'interazione tra il calore generato dalla luce laser e la luce che circola nel microrisuonatore era l'unico ostacolo che impediva al dispositivo di generare le frequenze altamente stabili necessarie per il corretto funzionamento.

A basse temperature, il team ha dimostrato che potrebbe raggiungere il cosiddetto regime di solitoni, in cui singoli impulsi di luce che non cambiano mai la loro forma, frequenza o velocità circolano all'interno del microrisonatore. I ricercatori descrivono il loro lavoro nel numero di giugno di Recensioni di laser e fotonica .

Con tali solitoni, tutti i denti del pettine di frequenza sono in fase tra loro, in modo che possano essere usati come righello per misurare le frequenze impiegate negli orologi ottici, sintesi di frequenza, o misurazioni della distanza basate su laser.

Sebbene alcuni sistemi criogenici sviluppati di recente siano abbastanza piccoli da poter essere utilizzati con il nuovo micropettine al di fuori del laboratorio, l'obiettivo finale è far funzionare il dispositivo a temperatura ambiente. Le nuove scoperte mostrano che gli scienziati dovranno spegnere o evitare del tutto il riscaldamento in eccesso per ottenere il funzionamento a temperatura ambiente.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.