Imagen de microscopio electrónico que muestra un detalle de un anillo diseñado por defecto. La rendija de aire actúa como un punto de reflexión en la guía de ondas, inducir ondas contrapropagantes. Crédito:Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
Todos hemos experimentado aire y agua turbulentos, pero ¿sabías que la luz también puede ser turbulenta?
Un equipo internacional de investigadores, dirigido por Federico Capasso, el profesor Robert L. Wallace de física aplicada y el investigador principal Vinton Hayes en ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard, han aprovechado la turbulencia de la luz para crear un tipo específico de láser de alta precisión, conocido como peine de frecuencia láser, en un sistema que antes se creía incapaz de producir tal láser. El descubrimiento podría utilizarse en una nueva generación de dispositivos para aplicaciones como espectroscopía óptica y detección.
La investigación se publica en Naturaleza .
Los peines de frecuencia son herramientas ampliamente utilizadas para detectar y medir diferentes frecuencias de luz con una precisión única. 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. Hoy dia, se utilizan en todo, desde el monitoreo ambiental y la detección química hasta la búsqueda de exoplanetas, comunicaciones ópticas y metrología y temporización de alta precisión.
Capasso y su equipo en SEAS han estado trabajando para hacer que estos dispositivos sean más eficientes y compactos para aplicaciones que incluyen telecomunicaciones y detección portátil.
En 2019, Capasso y su equipo descubrieron cómo transmitir señales inalámbricas desde peines de frecuencia láser, creando el primer transmisor de radio láser. Los investigadores utilizaron láseres semiconductores en cascada cuántica con forma de barras Kit Kat muy pequeñas, que generaba peines de frecuencia haciendo rebotar la luz de un extremo a otro. Esta luz que rebota crea ondas de contrapropagación que interactúan entre sí para generar las diferentes frecuencias del peine. Sin embargo, estos dispositivos aún emitían mucha luz que no se usaba en las aplicaciones de radiocomunicación.
"Al entrar en esta investigación, nuestra pregunta principal era cómo podemos hacer una mejor geometría para radios láser, "dijo Marco Piccardo, ex becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo.
Piccardo es actualmente investigador en el Istituto Italiano di Tecnologia de Milán.
Imagen de microscopio de láseres semiconductores monolíticos fabricados con guías de ondas anulares. Cuando se enciende, la luz en estos láseres manifiesta un flujo turbulento, como el movimiento de una nube tormentosa. Esta turbulencia es la clave para generar nuevos peines de frecuencia. Crédito:Harvard SEAS
Los investigadores recurrieron a láseres de cascada cuántica en anillo, cuales, por su forma circular, Puede generar un láser con una pérdida óptica muy baja. Sin embargo, Los láseres de anillo tienen un problema fundamental a la hora de generar peines de frecuencia:los haces de luz que viajan en un círculo perfecto se propagan solo en una dirección, en sentido horario o antihorario, y por lo tanto no puede generar las ondas de contrapropagación necesarias para formar un peine. Para superar este problema, los investigadores introdujeron pequeños defectos en los anillos y compararon los resultados con un grupo de anillos sin defectos.
Pero cuando los investigadores realizaron el experimento, los resultados tomaron a todos por sorpresa.
Los anillos perfectos que las teorías físicas previas decían que no podían generar un peine de frecuencia, peines de frecuencia generados.
"Cuando vimos eso, pensamos que esto es genial para nosotros, porque este es exactamente el tipo de luz que estamos buscando, solo que no esperábamos encontrarlo en este experimento en particular. El éxito pareció contradecir la teoría actual del láser, "dijo Benedikt Schwarz, investigador de TU Wien en Viena y coautor del estudio.
Los investigadores intentaron explicar cómo podría ocurrir tal fenómeno, y finalmente encontré turbulencias. En fluidos, La turbulencia ocurre cuando un flujo de fluido ordenado se rompe en vórtices cada vez más pequeños que interactúan entre sí hasta que el sistema finalmente se convierte en caos. Debido a la luz, esto toma la forma de inestabilidades de las olas, en el que una pequeña perturbación se hace cada vez más grande y eventualmente domina la dinámica del sistema.
Los investigadores descubrieron que pequeñas fluctuaciones en la corriente utilizada para bombear el láser causaban pequeñas inestabilidades en las ondas de luz. incluso en un anillo láser perfecto. Esas inestabilidades crecieron e interactuaron entre sí, como en un fluido turbulento. A continuación, esas interacciones provocaron que se produjera un peine de frecuencia estable.
"No solo cambiamos la geometría de los peines de frecuencia láser, descubrimos un sistema completamente nuevo para crear estos dispositivos, y al hacerlo, refundir una ley fundamental de los láseres, "dijo Piccardo.
En el futuro, estos dispositivos se pueden utilizar como microrresonadores bombeados eléctricamente en circuitos fotónicos integrados. Los microrresonadores a escala de chip de hoy son pasivos, lo que significa que la energía debe bombearse ópticamente desde el exterior, aumentando el tamaño y la complejidad del sistema. Pero el peine de frecuencia del láser de anillo está activo, lo que significa que puede generar su propia luz con solo inyectarle corriente eléctrica. También proporciona acceso a regiones del espectro electromagnético que no están cubiertas por microrresonadores. Esto podría ser útil en una variedad de aplicaciones, como espectroscopia óptica y detección química.
"Este es un primer paso muy importante en la conexión de microrresonadores pasivos con peines de frecuencia activa, ", dijo Capasso." La combinación de las ventajas de estos dos dispositivos podría tener importantes implicaciones fundamentales y tecnológicas ".
