Net zoals een meterstok met honderden maatstreepjes kan worden gebruikt om afstanden met grote precisie te meten, een apparaat dat bekend staat als een laserfrequentiekam, met zijn honderden gelijkmatig verdeelde, scherp gedefinieerde frequenties, kan worden gebruikt om de kleuren van lichtgolven met grote precisie te meten.

Klein genoeg om op een chip te passen, miniatuurversies van deze kammen - zo genoemd omdat hun reeks gelijkmatig verdeelde frequenties lijkt op de tanden van een kam - maken een nieuwe generatie atoomklokken mogelijk, een grote toename van het aantal signalen dat door optische vezels gaat, en het vermogen om kleine frequentieverschuivingen in sterrenlicht te onderscheiden die wijzen op de aanwezigheid van onzichtbare planeten. De nieuwste versie van deze op chips gebaseerde "microkammen, " gemaakt door onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of California in Santa Barbara (UCSB), staat klaar om tijd- en frequentiemetingen verder te verbeteren door de mogelijkheden van deze kleine apparaten te verbeteren en uit te breiden.

In het hart van deze frequentiemicrokammen ligt een optische microresonator, een ringvormig apparaat met de breedte van een mensenhaar waarin het licht van een externe laser duizenden keren rondvliegt totdat het een hoge intensiteit opbouwt. Microkammen, vaak gemaakt van glas of siliciumnitride, vereisen doorgaans een versterker voor het externe laserlicht, die de kam complex kan maken, omslachtig en kostbaar om te produceren.

De NIST-wetenschappers en hun UCSB-medewerkers hebben aangetoond dat microkammen die zijn gemaakt van de halfgeleider aluminium galliumarsenide twee essentiële eigenschappen hebben die ze bijzonder veelbelovend maken. De nieuwe kammen werken op zo'n laag vermogen dat ze geen versterker nodig hebben, en ze kunnen worden gemanipuleerd om een ​​buitengewoon stabiele reeks frequenties te produceren - precies wat nodig is om de microchipkam te gebruiken als een gevoelig hulpmiddel voor het meten van frequenties met buitengewone precisie. (Het onderzoek maakt deel uit van het NIST on a Chip-programma.)

De nieuw ontwikkelde microkamtechnologie kan ingenieurs en wetenschappers helpen om nauwkeurige optische frequentiemetingen uit te voeren buiten het laboratorium, zei NIST-wetenschapper Gregory Moille. In aanvulling, de microkam kan in massa worden geproduceerd door middel van nanofabricagetechnieken die vergelijkbaar zijn met de technieken die al worden gebruikt om micro-elektronica te vervaardigen.

De onderzoekers van UCSB leidden eerdere inspanningen bij het onderzoeken van microresonatoren die zijn samengesteld uit aluminiumgalliumarsenide. De frequentiekammen die van deze microresonatoren zijn gemaakt, hebben slechts een honderdste van de kracht nodig van apparaten die van andere materialen zijn gemaakt. Echter, de wetenschappers waren niet in staat om een ​​belangrijke eigenschap aan te tonen - dat een discrete reeks onwrikbare, of zeer stabiel, frequenties kunnen worden gegenereerd uit een microresonator gemaakt van deze halfgeleider.

Het NIST-team pakte het probleem aan door de microresonator in een op maat gemaakt cryogeen apparaat te plaatsen waarmee de onderzoekers het apparaat konden onderzoeken bij temperaturen zo laag als 4 graden boven het absolute nulpunt. Het experiment bij lage temperaturen onthulde dat de interactie tussen de warmte die wordt gegenereerd door het laserlicht en het licht dat circuleert in de microresonator het enige obstakel was dat het apparaat verhinderde om de zeer stabiele frequenties te genereren die nodig zijn voor een succesvolle werking.

Bij lage temperaturen, het team toonde aan dat het het zogenaamde solitonregime kon bereiken - waar individuele lichtpulsen die nooit van vorm veranderen, frequentie of snelheid circuleren binnen de microresonator. De onderzoekers beschrijven hun werk in het juninummer van Laser- en fotonica-beoordelingen .

Met zulke solitons, alle tanden van de frequentiekam zijn in fase met elkaar, zodat ze kunnen worden gebruikt als een liniaal om de frequenties te meten die worden gebruikt in optische klokken, frequentie synthese, of lasergebaseerde afstandsmetingen.

Hoewel sommige recent ontwikkelde cryogene systemen klein genoeg zijn om met de nieuwe microkam buiten het laboratorium te kunnen worden gebruikt, het uiteindelijke doel is om het apparaat bij kamertemperatuur te laten werken. De nieuwe bevindingen tonen aan dat wetenschappers overmatige verwarming moeten blussen of volledig moeten vermijden om op kamertemperatuur te werken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.