Los peines de frecuencia óptica son ampliamente utilizados, herramientas de alta precisión para medir y detectar diferentes frecuencias, a.k.a. colores — de luz. A diferencia de los láseres convencionales, que emiten una sola frecuencia, estos láseres emiten múltiples frecuencias simultáneamente. Las frecuencias igualmente espaciadas se asemejan a los dientes de un peine. Los peines de frecuencia óptica se utilizan para todo, desde medir las huellas dactilares de moléculas específicas hasta detectar exoplanetas distantes.

Ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson están explorando la posibilidad de usar un peine de frecuencia infrarroja para generar frecuencias de terahercios elusivas. Estas frecuencias, que se encuentran en el espectro electromagnético entre las ondas de radio y la luz infrarroja, han prometido durante mucho tiempo transformar las comunicaciones y la detección, pero son muy difíciles de obtener. Aprovechando un estado láser recientemente descubierto, Los investigadores de SEAS han descubierto un peine de frecuencia infrarroja en un láser de cascada cuántica que ofrece una nueva forma de generar frecuencias de terahercios.

Apodado un peine de frecuencia armónica, este nuevo sistema produce un espectro de dientes con un espaciado decenas de veces mayor que el de los peines de frecuencia tradicionales. El espaciado grande pero preciso permite que estos modos de luz se combinen para producir tonos de terahercios extremadamente puros.

La investigación se describe en Fotónica de la naturaleza .

"El descubrimiento del estado armónico de los láseres de cascada cuántica es sorprendente desde el punto de vista de la física del láser, "dijo Federico Capasso, Robert L. Wallace, profesor de Física Aplicada e investigador principal de Vinton Hayes en Ingeniería Eléctrica y autor principal del artículo. "Hasta hace poco, Se pensó que los láseres multimodo normalmente emitirían rayos láser en todas las frecuencias posibles de la cavidad. En el estado armónico, se omiten muchas frecuencias de cavidad. Aún más notable es que este descubrimiento abre oportunidades imprevistas en regiones no utilizadas del espectro electromagnético, el terahercio ".

En peines de frecuencia tradicionales, los dientes están separados por una pequeña frecuencia dictada por la longitud característica de la cavidad del láser, lo que significa que los dientes se asientan juntos. El peine de frecuencia armónica, sin embargo, puede usar un múltiplo mayor de esa frecuencia.

"Con este nuevo régimen de peine podemos eludir las estrictas limitaciones establecidas por la longitud de la cavidad y alcanzar un grado de flexibilidad sin precedentes en el ámbito de los peines de frecuencia láser de cascada cuántica, "dijo Marco Piccardo, becario postdoctoral en el laboratorio Capasso y co-primer autor del artículo.

La clave de la investigación fue demostrar que estos dientes muy espaciados eran de hecho equidistantes. Usando otro peine de referencia, el equipo pudo estudiar el espectro de peine de frecuencias armónicas a muy alta resolución.

"Demostramos que las líneas son equidistantes con una incertidumbre de solo 300 hercios, que cuantifica la precisión relativa de esta medición a cinco partes por billón, "dijo Dmitry Kazakov, pasante de investigación visitante en el grupo Capasso y coautor del artículo. "Es como si uno pudiera medir la distancia de la Tierra a la Luna y tener menos del grosor de un cabello humano".

La mayoría de los generadores de terahercios actuales utilizan sistemas ópticos complejos que operan a temperaturas cercanas a cero para producir frecuencias de terahercios. El peine de frecuencia armónica funciona a temperatura ambiente, utiliza láseres de cascada cuántica comerciales, y es autoiniciable, lo que significa que el láser puede cambiar automáticamente a este régimen cuando se inyecta corriente eléctrica en el dispositivo.

"Esto abre aplicaciones completamente nuevas para los peines de frecuencia, especialmente en comunicaciones inalámbricas, ", Dijo Capasso." Prevemos que en un futuro cercano este régimen de peine permitirá una nueva clase de módem a escala de chip que opere en frecuencias de terahercios, para adaptarse a la demanda cada vez mayor de los consumidores de comunicaciones digitales de alta velocidad de datos ".