I ricercatori Fuchuan Lei (nella foto), Victor Torres Company e i loro colleghi della Chalmers University of Technology, in Svezia, presentano nuove conoscenze su come i pettini di frequenza su un chip possono misurare in modo più preciso e consentire applicazioni ottiche per la moderna metrologia delle frequenze. Ad esempio, piccoli dispositivi fotonici potrebbero essere utilizzati per rilevare nuovi esopianeti o monitorare la nostra salute. Credito:Chalmers University of Technology
I microcombi hanno aree di applicazione molto diverse:possono aiutarci a scoprire pianeti al di fuori del nostro sistema solare e monitorare le malattie nei nostri corpi. I nuovi risultati della ricerca presso la Chalmers University of Technology, in Svezia, ora forniscono una comprensione più approfondita di come funziona la larghezza della linea nei pettini, qualcosa che, tra le altre cose, consentirà misurazioni ancora più precise in futuro. E la scoperta è stata fatta quasi per caso.
Un righello fatto di luce è la descrizione semplificata di un micropettine. In breve, il principio si basa su un laser che invia luce che circola all'interno di una piccola cavità, un cosiddetto microrisonatore. Lì, la luce è divisa in una varietà di colori o frequenze. Le frequenze sono localizzate con precisione, in modo simile ai segni su un righello.
Oggi, praticamente tutte le misurazioni ottiche possono essere collegate alle frequenze della luce, e questo offre ai micropettini una pletora di diverse aree di applicazione, dalla calibrazione di strumenti che misurano segnali a distanze di anni luce, all'identificazione e al monitoraggio della nostra salute attraverso l'aria che espiriamo.
Nuovi approfondimenti sulle linee del pettine di frequenza
"I pettini di frequenza laser hanno rivoluzionato la ricerca basata sulla metrologia della frequenza", afferma Victor Torres Company, professore presso il Dipartimento di microtecnologia e nanoscienza, MC2, presso la Chalmers University of Technology.
Una domanda chiave quando si lavora con i microcomb è quanto siano strette le linee del pettine di frequenza. L'opinione prevalente fino a pochi anni fa era che le linee non potessero essere più strette della luce in ingresso dal laser. Quando i ricercatori hanno iniziato a esaminarlo in modo più approfondito, si è scoperto che le linee situate più lontane dal laser sono un po' più larghe delle linee situate al centro. Le fonti di rumore nel microrisuonatore sono state considerate la ragione di ciò.
Quando Fuchuan Lei, ricercatore presso l'MC2, ha testato queste teorie e condotto gli esperimenti con i dispositivi fabbricati presso le strutture del Laboratorio di nanofabbricazione dell'MC2, ha scoperto che alcune delle linee erano in realtà più strette della luce della sorgente laser stessa. Ha tracciato tutte le sorgenti di rumore che possono influenzare la larghezza di linea o la purezza delle linee, ha ripetuto gli esperimenti e ha continuato a ricevere lo stesso risultato.
Una nuova teoria in atto
"Non capivamo perché, ma sulla base di questi risultati abbiamo sviluppato un modello teorico che spiegava cosa è successo, fatto simulazioni e confermato tramite esperimenti che il nostro modello era corretto", afferma Victor Torres Company. "In precedenza, non era chiaro in che modo i diversi meccanismi di rumore avrebbero influenzato la larghezza di linea delle linee del pettine nel microcomb."
"All'inizio pensavamo che qualcosa dovesse andare storto, ma una volta stabilita la nostra teoria tutto era chiaro", afferma Fuchuan Lei.
Quanto sono stretti i segni in un micropettine ha un grande significato nel modo in cui può essere utilizzato. Un micropettine con segni posizionati in modo ristretto consente misurazioni ancora più precise, ed è per questo che capire perché le linee sono più strette è una questione chiave nello sviluppo dei micropettini. Victor Torres Company lo paragona a righelli realizzati con diversi tipi di materiali.
Possibile misurare con maggiore precisione
"Immagina di disegnare pennarelli con un po' di gesso contro se lo facessi con una matita. Puoi definire una griglia, puoi definire la spaziatura, ma con una matita puoi misurare più precisamente perché poi hai il tuo righello con molto bene- marchi definiti", afferma.
Quella che in origine era un'interessante curiosità scoperta dai ricercatori, è arrivata a rivelare i meccanismi fisici di ciò che fa variare la larghezza delle linee nel micropettine.
"Grazie alla nostra ricerca e pubblicazione, coloro che lavorano alla progettazione di questo tipo di dispositivi capiranno in che modo le diverse sorgenti di rumore influiscono sui diversi parametri e sulle prestazioni del microcomb", afferma Victor Torres Company.
L'articolo, "Optical linewidth of soliton microcombs", è stato pubblicato su Nature Communications . + Esplora ulteriormente
