Ahora, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colaboradores han desarrollado una nueva forma de crear peines que promete aumentar su ya exquisita precisión y permitirles medir la luz en un rango de frecuencias que antes era inaccesible. El rango ampliado permitirá que los peines de frecuencia sondenen células y otro material biológico.

Los investigadores describen su trabajo en Nature Photonics . El equipo incluye a François Leo y sus colegas de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, Julien Fatome de la Universidad de Bourgogne en Dijon, Francia, y científicos del Joint Quantum Institute, una asociación de investigación entre el NIST y la Universidad de Maryland. P>

Los nuevos dispositivos, que están fabricados en un pequeño chip de vidrio, funcionan de una manera fundamentalmente diferente a los peines de frecuencia basados ​​en chips anteriores, también conocidos como micropeines.

Un peine de frecuencia actúa como regla para la luz. Así como las marcas uniformemente espaciadas en una regla ordinaria miden la longitud de los objetos, los picos de frecuencia uniformemente espaciados en un micropeine miden las oscilaciones o frecuencias de las ondas de luz.

Los investigadores suelen emplear tres elementos para construir un micropeine:un único láser, conocido como láser de bomba; un diminuto resonador en forma de anillo, el elemento más importante; y una guía de ondas en miniatura que transporta luz entre los dos. La luz láser que se inyecta en la guía de ondas ingresa al resonador y corre alrededor del anillo. Al ajustar cuidadosamente la frecuencia del láser, la luz dentro del anillo puede convertirse en un solitón, un pulso de onda solitario que conserva su forma a medida que se mueve.

Cada vez que el solitón completa un viaje de ida y vuelta alrededor del anillo, una porción del pulso se divide y entra en la guía de ondas. Pronto, un tren completo de pulsos estrechos, que se asemejan a picos, llena la guía de ondas, con cada pico separado en el tiempo por el mismo intervalo fijo, el tiempo que le tomó al solitón completar una vuelta. Los picos corresponden a un único conjunto de frecuencias espaciadas uniformemente y forman las marcas o "dientes" del peine de frecuencias.

Este método de generar un micropeine, aunque eficaz, sólo puede producir peines con un rango de frecuencias centrado en la frecuencia del láser de bombeo. Para superar esa limitación, los investigadores del NIST Grégory Moille y Kartik Srinivasan, en colaboración con un equipo internacional de investigadores dirigido por Miro Erkintalo de la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda y el Centro Dodd-Walls de Tecnologías Fotónicas y Cuánticas, predijeron teóricamente y luego demostraron experimentalmente. un nuevo proceso para producir un micropeine solitón.

En lugar de emplear un solo láser, el nuevo método utiliza dos bombas láser, cada una de las cuales emite luz a una frecuencia diferente. La compleja interacción entre las dos frecuencias produce un solitón cuya frecuencia central se encuentra exactamente entre los dos colores del láser.

El método permite a los científicos generar peines con propiedades novedosas en un rango de frecuencia que ya no está limitado por los láseres de bombeo. Al generar peines que abarcan un conjunto de frecuencias diferente al del láser de bomba inyectado, los dispositivos podrían, por ejemplo, permitir a los científicos estudiar la composición de compuestos biológicos.

Más allá de esta ventaja práctica, la física que subyace a este nuevo tipo de micropeine, conocido como micropeine accionado paramétricamente, puede conducir a otros avances importantes. Un ejemplo es una posible mejora en el ruido asociado con los dientes individuales del micropeine.

En un peine generado por un único láser, el láser de bomba esculpe directamente sólo el diente central. Como resultado, los dientes se vuelven más anchos cuanto más se alejan del centro del peine. Esto no es deseable, porque los dientes más anchos no pueden medir frecuencias con tanta precisión como los más estrechos.

En el nuevo sistema de peine, los dos láseres de bombeo dan forma a cada diente. Según la teoría, esto debería producir un conjunto de dientes que sean todos igualmente estrechos, mejorando la precisión de las mediciones. Los investigadores ahora están probando si esta predicción teórica es cierta para los micropeines que han fabricado.

El sistema de dos láseres ofrece otra ventaja potencial:produce solitones que vienen en dos variedades, que pueden asimilarse a tener un signo positivo o negativo. Que un solitón particular sea negativo o positivo es puramente aleatorio porque surge de las propiedades cuánticas de la interacción entre los dos láseres.

Esto puede permitir que los solitones formen un generador de números aleatorios perfecto, que desempeña un papel clave en la creación de códigos criptográficos seguros y en la resolución de algunos problemas estadísticos y cuánticos que de otro modo serían imposibles de resolver con una computadora ordinaria no cuántica.