En la portada del álbum de Pink Floyd Dark Side of the Moon, un prisma divide un rayo de luz en todos los colores del arco iris. Este popurrí multicolor que debe su aparición al hecho de que la luz viaja como una onda, casi siempre se esconde a plena vista; un prisma simplemente revela que estaba allí. Por ejemplo, la luz del sol es una mezcla de muchos colores diferentes de luz, cada uno subiendo y bajando con su propia frecuencia característica. Pero en conjunto, los colores se funden en un brillo amarillento uniforme.

Un prisma o algo parecido, también puede deshacer esta división, mezclando un arco iris en un solo rayo. A finales de la década de 1970, los científicos descubrieron cómo generar muchos colores de luz, uniformemente espaciados en frecuencia, y mezclarlos, una creación que se conoció como peine de frecuencia debido a la forma puntiaguda en que las frecuencias se alineaban como los dientes de un peine. También superpusieron las crestas de las diferentes frecuencias en un lugar, haciendo que los colores se unan para formar pulsos cortos de luz en lugar de un haz continuo.

A medida que se desarrolló la tecnología de peine de frecuencia, Los científicos se dieron cuenta de que podían permitir nuevos desarrollos de laboratorio, como relojes atómicos ópticos ultraprecisos, y en 2005, los peines de frecuencia le habían valido a dos científicos una parte del Premio Nobel de Física. Estos días, los peines de frecuencia están encontrando usos en la tecnología moderna, ayudando a los vehículos autónomos a "ver" y permitiendo que las fibras ópticas transmitan muchos canales de información a la vez, entre otros.

Ahora, una colaboración de investigadores de la Universidad de Maryland (UMD) ha propuesto una forma de hacer que los peines de frecuencia del tamaño de un chip sean diez veces más eficientes aprovechando el poder de la topología, un campo de las matemáticas abstractas que subyace a algunos de los comportamientos más peculiares de los materiales modernos. . El equipo, dirigido por los becarios de JQI Mohammad Hafezi y Kartik Srinivasan, así como Yanne Chembo, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la UMD y miembro del Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada, publicó su resultado recientemente en la revista Física de la naturaleza .

"La topología ha surgido como un nuevo principio de diseño en óptica en la última década, "dice Hafezi, "y ha dado lugar a muchos fenómenos nuevos e intrigantes, algunos sin contraparte electrónica. Sería fascinante si uno también encontrara una aplicación de estas ideas ".

Los pequeños chips que pueden generar un peine de frecuencia existen desde hace casi quince años. Se producen con la ayuda de resonadores de microanillos, círculos de material que se asientan sobre un chip y guían la luz en un bucle. Estos círculos generalmente están hechos de un compuesto de silicio de 10 a 100 micrones de diámetro y están impresos directamente en una placa de circuito.

La luz se puede enviar al micro-anillo desde una pieza adyacente de compuesto de silicio, depositado en una línea recta cercana. Si la frecuencia de la luz coincide con una de las frecuencias naturales del resonador, la luz dará vueltas y vueltas miles de veces, o resonará, aumentando la intensidad de la luz en el anillo antes de volver a filtrarse hacia la línea recta.

Dar vueltas miles de veces le da a la luz muchas oportunidades de interactuar con el silicio (u otro compuesto) a través del cual viaja. Esta interacción hace que aparezcan otros colores de luz, distinto del color enviado al resonador. Algunos de esos colores también resonarán, dando vueltas y vueltas al círculo y aumentando el poder. Estos colores resonantes tienen frecuencias espaciadas uniformemente:corresponden a longitudes de onda de luz que son una fracción entera de la circunferencia del anillo, plegándose cuidadosamente en el círculo y forzando a las frecuencias a formar los dientes de un peine. Precisamente con la potencia de entrada y el color correctos, las crestas de todos los colores se superponen automáticamente, haciendo un peine estable. Los colores uniformemente espaciados que componen el peine se unen para formar un solo, pulso estrecho de luz que circula alrededor del anillo.

"Si ajusta la potencia y la frecuencia de la luz que ingresa al resonador para que sean las correctas, mágicamente en la salida obtienes estos pulsos de luz, "dice Sunil Mittal, investigador postdoctoral en JQI y autor principal del artículo.

Los peines de frecuencia en el chip permiten aplicaciones compactas. Por ejemplo, La detección y rango de luz (LIDAR) permite que los autos autónomos detecten lo que los rodea al hacer rebotar pulsos cortos de luz producidos por un peine de frecuencia en su entorno. Cuando el pulso vuelve al auto, se compara con otro peine de frecuencia para obtener un mapa preciso de los alrededores. En telecomunicaciones, Los peines se pueden usar para transmitir más información en una fibra óptica escribiendo diferentes datos en cada uno de los dientes del peine usando una técnica llamada multiplexación por división de longitud de onda (WDM).

Pero los peines de frecuencia a escala de chip también tienen sus limitaciones. En un microanillo, la fracción de potencia que se puede convertir de la entrada a un peine en la salida (la eficiencia del modo) está fundamentalmente limitada a sólo el 5 por ciento.

Mittal, Hafezi, y sus colaboradores han sido pioneros en una matriz de microanillos con protección topológica incorporada, y lo usó para suministrar fotones individuales bajo demanda y generar fotones entrelazados hechos a pedido. Se preguntaron si una configuración similar (una red cuadrada de resonadores de micro-anillos con anillos de "enlace" adicionales) también podría adaptarse para mejorar la tecnología de peine de frecuencia.

En esta configuración, los microanillos a lo largo del borde exterior de la celosía se vuelven distintos de todos los anillos del medio. La luz enviada al enrejado pasa la mayor parte del tiempo a lo largo de este borde exterior y, debido a la naturaleza de las limitaciones topológicas, no se dispersa en el centro. Los investigadores llaman a este círculo exterior de microanillos un superanillo.

El equipo esperaba encontrar condiciones mágicas que formaran un peine de frecuencia en los pulsos que circulaban alrededor del superanillo. Pero esto es complicado:cada uno de los anillos del enrejado puede tener su propio pulso de luz dando vueltas y vueltas. Para obtener un gran pulso de luz alrededor del súper anillo, los pulsos dentro de cada microanillo tendrían que trabajar juntos, sincronizándose para formar un pulso general que recorre todo el límite.

Mittal y sus colaboradores no sabían a qué frecuencia o potencia sucedería esto, o si funcionaría en absoluto. Para averiguarlo, Mittal escribió un código de computadora para simular cómo la luz atravesaría la red de anillos de 12 por 12. Para sorpresa del equipo, no solo encontraron parámetros que hicieron que los pulsos de micro-anillo se sincronizaran en un pulso de super-anillo, pero también encontraron que la eficiencia era un factor diez más alta que la posible para un peine de un solo anillo.

Esta mejora se debe todo a la cooperación entre microanillos. La simulación mostró que los dientes del peine estaban espaciados de acuerdo con el tamaño de los microanillos individuales, o longitudes de onda que se pliegan ordenadamente alrededor del círculo pequeño. Pero si hizo zoom en cualquiera de los dientes individuales, verías que en realidad estaban subdivididos en más pequeños, dientes secundarios más finamente espaciados, correspondiente al tamaño del superanillo. Simplemente pon, la luz entrante se combinó con un pequeño porcentaje de eficiencia en cada uno de estos dientes secundarios adicionales, permitiendo que la eficiencia agregada supere el 50 por ciento.

El equipo está trabajando en una demostración experimental de este peine de frecuencia topológica. Usando simulaciones, pudieron destacar el nitruro de silicio como un material prometedor para los microanillos, así como averiguar qué frecuencia y potencia de luz enviar. Creen que la construcción de su peine de frecuencia supereficiente debería estar al alcance de las técnicas experimentales actuales de vanguardia.

Si se construye un peine así, puede volverse importante para el desarrollo futuro de varias tecnologías clave. La mayor eficiencia podría beneficiar a aplicaciones como LIDAR en automóviles autónomos o relojes ópticos compactos. Adicionalmente, la presencia de sub-dientes finamente espaciados alrededor de cada diente individual podría, por ejemplo, también ayudan a agregar más canales de información en un transmisor WDM.

Y el equipo espera que esto sea solo el comienzo. "Podría haber muchas aplicaciones que ni siquiera conocemos todavía, ", dice Mittal. Esperamos que haya muchas más aplicaciones y que más personas estén interesadas en este enfoque".