Una nueva investigación arroja luz sobre la física fundamental de los peines de frecuencia, ofreciendo información sobre las habilidades de resolución de problemas de la naturaleza y avances prometedores en tecnología. Crédito:Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
La naturaleza tiene una forma de encontrar soluciones óptimas a problemas complejos. Por ejemplo, a pesar de los miles de millones de formas en que una sola proteína se pliega, las proteínas siempre se pliegan de una manera que minimiza la energía potencial. Moho de fango, un organismo sin cerebro, siempre encuentra la ruta más eficiente hacia una fuente de alimento, incluso cuando se presenta con un obstáculo. Una cuerda de saltar, cuando se sostiene en ambos extremos, siempre termina en la misma forma, una curva conocida como catenaria.
Este tipo de optimización se explica por lo que se conoce como principio variacional:cualquier otra deformación (o variación) de la forma encontrada por la proteína, el molde o la cuerda para saltar requeriría más energía.
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson, han descubierto que algunos láseres utilizan el mismo principio. La investigación se describe en Cartas de revisión física .
Los peines de frecuencia son ampliamente utilizados, herramientas de alta precisión para medir y detectar diferentes frecuencias, también conocido como. colores — de luz. A diferencia de los láseres convencionales, que emiten una sola frecuencia, estos láseres emiten múltiples frecuencias al mismo tiempo, espaciados uniformemente para parecerse a los dientes de un peine.
Cuando un láser produce un peine de frecuencia, emite ondas de luz que se repiten periódicamente en el tiempo. Dependiendo de los parámetros del peine, estas ondas pueden tener una intensidad constante mientras varían en color, o parecen pequeños pulsos de luz que aumentan y disminuyen de intensidad.
Los investigadores saben cómo los peines producen legumbres, pero cómo los llamados láseres de frecuencia modulada pueden mantener una intensidad constante frente a las frecuencias cambiantes ha sido un enigma de larga duración.
Los modos de un peine de frecuencia óptica (líneas rojas) están bloqueados por un principio de variación. Este principio define una ruta específica (línea azul) en el vasto espacio de parámetros del láser, que se prefiere a cualquier otro camino (líneas grises) obtenido por pequeñas variaciones de esta trayectoria. Al obedecer este principio variacional, el láser garantiza maximizar su potencia de salida. Crédito:Capasso Lab / Harvard SEAS
El equipo de investigadores, dirigido por Federico Capasso, el profesor Robert L.Wallace de física aplicada y el investigador principal Vinton Hayes en ingeniería eléctrica, fueron capaces de reconstruir en una escala de tiempo de una billonésima de segundo la forma de onda emitida por fuentes de luz conocidas como láseres de cascada cuántica, ampliamente utilizado en espectroscopia y detección. Descubrieron que los láseres optan por emitir ondas de luz de una manera que no solo suprime las fluctuaciones de intensidad, lo que lleva a una intensidad constante en el tiempo, sino que también maximiza la salida de potencia.
"Descubrimos que un láser de frecuencia modulada puede ajustar los parámetros por sí mismo, similar a un DJ que gira las perillas de un sintetizador de música, para minimizar las fluctuaciones de la onda de intensidad emitida, "dijo Marco Piccardo, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo. "Girar todas estas perillas de la manera correcta no es una tarea fácil. Al producir una forma de onda de intensidad casi plana, el láser de frecuencia modulada ha resuelto un complejo problema de optimización, funcionando como una computadora analógica ".
"Este descubrimiento desentraña la física de una prometedora tecnología de peine de frecuencia, ", dijo Capasso." Beneficiándose de una modulación de intensidad mínima en la salida del láser, estos dispositivos podrían rivalizar con los láseres de modo de pulso ultracorto convencionales en aplicaciones de espectroscopia ".
