Un singolo laser viene sparato attraverso un pettine microscopico, che si divide in un arcobaleno di colori. Succede tutto in modo altamente controllato su un minuscolo risonatore fotonico, e potrebbe aprire la strada a orologi più precisi, la scoperta di esopianeti e sistemi GPS migliorati.

I ricercatori hanno sviluppato il primo chip nel suo genere, che utilizza quello che è noto come effetto Pockels, nel laboratorio di Hong Tang, il Llewellyn West Jones, Jr. Professore di Ingegneria Elettrica, Fisica Applicata e Fisica. I risultati del loro lavoro sono pubblicati in Fotonica della natura .

"Questo lavoro svela un nuovo processo fisico per produrre pettini di frequenza, " ha detto Tang. "Sfruttiamo un materiale fotonico con una struttura cristallina che rompe la simmetria:questo tipo di materiale Pockels offre una non linearità ottica più forte rispetto ai materiali usati convenzionalmente".

Il chip è dotato di un microcomb, un dispositivo ottico estremamente piccolo che converte il singolo colore di un laser in una serie di colori equidistanti, un effetto importante per applicazioni come la spettroscopia. Tradizionalmente, questo viene fatto con i cosiddetti microcomb Kerr, che sono efficaci ma richiedono molta potenza. Scienziati, anche se, erano a lungo incuriositi dalla possibilità di utilizzare micropettini basati sull'effetto Pockels per aumentare la potenza, e riuscirono finalmente a farlo circa 10 anni fa in grandi cavità lunghe circa mezzo metro. La differenza tra i due è che il laser in un pettine Kerr intensifica i colori dei laser per creare un pettine, mentre il pettine Pockels viene creato quando il laser raddoppia ripetutamente e dimezza la sua frequenza, che ne determina il colore. Mentre il micropettine Pockels vanta un effetto molto più forte, è anche molto difficile da controllare.

Un modo per ottenere il controllo è con l'uso di un solitone, un'onda solitaria che si muove con costanza e senza perdere energia. I solitoni possono verificarsi in natura, come in acqua (sono stati osservati per la prima volta su un ponte in Scozia da un ingegnere scozzese del XIX secolo che ha osservato una singola onda viaggiare per miglia). Si verificano anche con la luce, e, come promettono le leggi della fisica, sarebbe fondamentale per controllare i laser creati dal microcomb di Pockels. Far funzionare uno con un microcomb, anche se, si era da tempo dimostrato sfuggente per gli scienziati.

"Senza il solitone, è solo un mucchio di laser che fanno tutti i propri lavori—è come cercare di radunare i gatti, " ha detto Alex Bruch, autore principale dello studio e un ex dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Tang. Con lo stato solitonico, anche se, è come un corpo d'armata ben addestrato che può marciare in modo ordinato e unire le proprie forze. ""È incredibilmente difficile fare vera scienza con una fonte di luce che cambia casualmente su di te. Il solitone è fantastico perché fa un bel impulso ottico prevedibile che puoi utilizzare per quasi tutte le applicazioni che desideri. La gente ha pensato che questo dovrebbe esistere per molto tempo, ma era molto difficile realizzarne uno o osservarne uno in laboratorio. La cosa veramente importante del nostro articolo è che questa è la prima volta che riusciamo a far funzionare quel solitone".

Il laboratorio Tang è il primo a realizzare un solitone di Pockels su microscala, e gran parte del loro successo è dovuto alla piccola scala in cui stavano lavorando. In genere, un dispositivo del genere occupa lo spazio di una piccola scatola da scarpe. Ma il laboratorio di Tang è specializzato in nanofotonica, in cui tutto si riduce drammaticamente. Usano una tecnica di microfabbricazione che consente loro di sparare la luce sul chip e vengono generati più colori in un anello non più grande della larghezza di un capello umano.

"Possiamo controllare tutto molto bene su un piccolo chip:la temperatura, la geometria, e si scopre che riducendo tutto, hai migliorato anche la fisica perché stai costringendo tutte queste onde a interagire tra loro in un piccolo spazio, "" ha detto Bruch.

Non solo l'effetto era più forte, ma era anche molto più efficiente rispetto all'utilizzo del tradizionale microcomb Kerr. Un micropettine Kerr raggiunge in genere un tasso di conversione di circa il 2-3%, mentre il loro micropettine Pockels, al primo tentativo, ha raggiunto il 17%.

Bruch ha detto che hanno in programma di sviluppare questa ricerca trovando modi per ampliare la larghezza di banda, ovvero il numero di colori generati dal laser.