Sulla copertina dell'album dei Pink Floyd Dark Side of the Moon, un prisma divide un raggio di luce in tutti i colori dell'arcobaleno. Questo miscuglio multicolore, che deve la sua nascita al fatto che la luce viaggia come un'onda, si nasconde quasi sempre in bella vista; un prisma rivela semplicemente che era lì. Ad esempio, la luce del sole è una miscela di molti diversi colori di luce, ciascuno che va su e giù con la propria frequenza caratteristica. Ma presi insieme i colori si fondono in un bagliore giallastro uniforme.

un prisma, o qualcosa del genere, può anche annullare questa scissione, rimescolando un arcobaleno in un unico raggio. Alla fine degli anni '70, gli scienziati hanno scoperto come generare molti colori di luce, equidistanti in frequenza, e mescolarli insieme, una creazione che divenne nota come pettine di frequenza a causa del modo appuntito in cui le frequenze si allineavano come i denti di un pettine. Hanno anche sovrapposto le creste delle diverse frequenze in un punto, facendo in modo che i colori si uniscano per formare brevi impulsi di luce anziché un raggio continuo.

Con lo sviluppo della tecnologia a pettine di frequenza, gli scienziati si sono resi conto che potevano consentire nuovi sviluppi di laboratorio, come orologi atomici ottici ultra precisi, e nel 2005 i pettini di frequenza avevano fatto guadagnare a due scienziati una quota del Premio Nobel per la fisica. In questi giorni, pettini di frequenza stanno trovando usi nella tecnologia moderna, aiutando le auto a guida autonoma a "vedere" e consentendo alle fibre ottiche di trasmettere molti canali di informazioni contemporaneamente, tra gli altri.

Ora, una collaborazione di ricercatori dell'Università del Maryland (UMD) ha proposto un modo per rendere i pettini di frequenza delle dimensioni di un chip dieci volte più efficienti sfruttando la potenza della topologia, un campo di matematica astratta che è alla base di alcuni dei comportamenti più peculiari dei materiali moderni . Il gruppo, guidato dai borsisti JQI Mohammad Hafezi e Kartik Srinivasan, così come Yanne Chembo, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l'UMD e membro dell'Istituto per la ricerca in elettronica e fisica applicata, hanno pubblicato di recente il loro risultato sulla rivista Fisica della natura .

"La topologia è emersa come un nuovo principio di progettazione nell'ottica nell'ultimo decennio, "dice Hafezi, "e ha portato a molti nuovi fenomeni intriganti, alcuni senza controparte elettronica. Sarebbe affascinante se si trovasse anche un'applicazione di queste idee".

Piccoli chip in grado di generare un pettine di frequenza esistono da quasi quindici anni. Sono prodotti con l'aiuto di risonatori a micro-anello, cerchi di materiale che si trovano in cima a un chip e guidano la luce in un anello. Questi cerchi sono generalmente realizzati con un composto di silicio con un diametro compreso tra 10 e 100 micron e stampati direttamente su un circuito stampato.

La luce può essere inviata nel microanello da un pezzo adiacente di composto di silicio, depositato in linea retta nelle vicinanze. Se la frequenza della luce corrisponde a una delle frequenze naturali del risonatore, la luce andrà in giro e intorno migliaia di volte, o risuonerà, costruendo l'intensità della luce nell'anello prima di fuoriuscire di nuovo nella traccia in linea retta.

Girare migliaia di volte dà alla luce molte possibilità di interagire con il silicio (o altro composto) che sta attraversando. Questa interazione fa apparire altri colori di luce, distinto dal colore inviato al risonatore. Alcuni di quei colori risuoneranno anche, girando intorno al cerchio e accumulando potere. Questi colori risonanti sono a frequenze equidistanti:corrispondono a lunghezze d'onda della luce che sono una frazione intera della circonferenza dell'anello, piegandosi ordinatamente nel cerchio e costringendo le frequenze a formare i denti di un pettine. Con la giusta potenza in ingresso e colore, le creste di tutti i colori si sovrappongono automaticamente, fare un pettine stabile. I colori equidistanti che compongono il pettine si uniscono per formare un unico, stretto impulso di luce che circola intorno all'anello.

"Se sintonizzi la potenza e la frequenza della luce che entra nel risonatore in modo che siano giuste, magicamente in uscita si ottengono questi impulsi di luce, "dice Sunil Mittal, un ricercatore post-dottorato presso JQI e l'autore principale dell'articolo.

I pettini di frequenza su chip consentono applicazioni compatte. Per esempio, Il rilevamento e la distanza della luce (LIDAR) consentono alle auto a guida autonoma di rilevare ciò che li circonda facendo rimbalzare brevi impulsi di luce prodotti da un pettine di frequenza sull'ambiente circostante. Quando il polso torna alla macchina, viene confrontato con un altro pettine di frequenza per ottenere una mappa accurata dei dintorni. Nelle telecomunicazioni, i pettini possono essere utilizzati per trasmettere più informazioni in una fibra ottica scrivendo dati diversi su ciascuno dei denti del pettine utilizzando una tecnica chiamata multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM).

Ma anche i pettini di frequenza a scala di chip hanno i loro limiti. In un microanello, la frazione di potenza che può essere convertita dall'ingresso in un pettine all'uscita, l'efficienza della modalità, è fondamentalmente limitata a solo il 5%.

Mittal, Hafezi, e i loro collaboratori hanno precedentemente aperto la strada a un array di micro-anello con protezione topologica integrata, e lo ha utilizzato per fornire singoli fotoni su richiesta e generare fotoni entangled su ordinazione. Si chiedevano se una configurazione simile, un reticolo quadrato di risonatori a micro-anello con anelli "collegamenti" extra, potesse essere adattata anche per migliorare la tecnologia del pettine di frequenza.

In questa impostazione, i microanelli lungo il bordo esterno del reticolo si distinguono da tutti gli anelli centrali. La luce inviata nel reticolo trascorre la maggior parte del tempo lungo questo bordo esterno e, a causa della natura dei vincoli topologici, non si disperde al centro. I ricercatori chiamano questo cerchio esterno di micro-anelli un super-anello.

Il team sperava di trovare condizioni magiche che avrebbero formato un pettine di frequenza negli impulsi che circolano attorno al super-anello. Ma questo è complicato:ciascuno degli anelli nel reticolo può avere il proprio impulso di luce che gira in tondo. Per ottenere un grande impulso di luce intorno al super-anello, gli impulsi all'interno di ogni microanello dovrebbero lavorare insieme, sincronizzazione fino a formare un impulso complessivo che va attorno all'intero confine.

Mittal e i suoi collaboratori non sapevano a quale frequenza o potenza sarebbe successo, o se avrebbe funzionato del tutto. Per capirlo, Mittal ha scritto un codice per computer per simulare come la luce avrebbe attraversato il reticolo ad anello 12 per 12. Con sorpresa della squadra, non solo hanno trovato parametri che hanno reso gli impulsi del micro-anello sincronizzati in un impulso del super-anello, ma hanno anche scoperto che l'efficienza era un fattore dieci superiore a quella possibile per un singolo pettine ad anello.

Questo miglioramento deve tutto alla cooperazione tra i micro-anelli. La simulazione ha mostrato che i denti del pettine erano distanziati in base alla dimensione dei singoli micro-anelli, o lunghezze d'onda che si piegano ordinatamente attorno al piccolo cerchio. Ma se hai ingrandito uno qualsiasi dei singoli denti, vedresti che erano davvero suddivisi in più piccoli, denti secondari più finemente distanziati, corrispondente alla dimensione del super-anello. In poche parole, la luce in entrata è stata accoppiata con una piccola percentuale di efficienza in ciascuno di questi sub-denti aggiuntivi, consentendo all'efficienza aggregata di superare il 50 percento.

Il team sta lavorando a una dimostrazione sperimentale di questo pettine di frequenza topologico. Utilizzando simulazioni, sono stati in grado di individuare il nitruro di silicio come materiale promettente per i micro-anelli, oltre a capire quale frequenza e potenza della luce inviare. Credono che la costruzione del loro pettine di frequenza superefficiente dovrebbe essere alla portata delle attuali tecniche sperimentali all'avanguardia.

Se viene costruito un tale pettine, può diventare importante per lo sviluppo futuro di diverse tecnologie chiave. La maggiore efficienza potrebbe avvantaggiare applicazioni come LIDAR in auto a guida autonoma o orologi ottici compatti. Inoltre, la presenza di sub-denti finemente distanziati attorno a ogni singolo dente potrebbe, Per esempio, aiuta anche ad aggiungere più canali di informazione in un trasmettitore WDM.

E la squadra spera che questo sia solo l'inizio. "Potrebbero esserci molte applicazioni che ancora non conosciamo nemmeno, " dice Mittal. "Ci auguriamo che ci saranno molte più applicazioni e più persone saranno interessate a questo approccio".