In de natuur, zoals in het dagelijks leven, we zijn omringd door resonantie - het fenomeen dat beschrijft hoe elk object een frequentie heeft waarop het het liefst trilt. De toon van een gitaarsnaar en het geluid van de Big Ben-klok zijn voorbeelden van resonantie.

Trillingen in de buurt van resonantie veroorzaken sterke schokken. Bruggen storten in als soldaten eendrachtig marcheren; een kind kan zichzelf 'duwen' op een schommel door zijn benen in de juiste snelheid te bewegen, en twee slingerklokken op dezelfde tafel synchroniseren. Deze voorbeelden laten de verhoogde gevoeligheid zien die aan een object wordt gegeven wanneer het op een specifiek (dat wil zeggen, resonantie) frequentie. Het is dan ook geen wonder dat natuurkundigen en ingenieurs altijd op zoek zijn naar manieren om resonantie te gebruiken om nuttige effecten en sterke reacties teweeg te brengen door de kleinste hoeveelheid energie toe te passen.

Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen van de Universiteit van Bath heeft een manier gevonden om resonantie te gebruiken om de energie van licht effectiever te benutten in structuren die microresonatoren worden genoemd. voor licht, microresonators fungeren als miniatuurracebanen, met fotonen die in lussen rond de cirkel ritselen. Licht bestaat uit fotonen van verschillende kleuren, waarbij elke kleur overeenkomt met golven die oscilleren op specifieke golflengten en frequenties. Als de pieken van deze golven hetzelfde punt bereiken nadat een volledige lus rond de resonator is gemaakt, dan bereikt de energieopslagcapaciteit van de resonator een maximum wanneer gemeten aan de frequentie. Met andere woorden, de resonator en het licht binnenin komen tot resonantie.

Het vermogen van een resonator om energie op te slaan wordt gekenmerkt door de scherpte van de resonantie, ook wel finesse genoemd.

Natuurkundigen zijn verstrikt in een race om de finesses van resonatoren te maximaliseren, om zoveel mogelijk energie op te slaan in een enkele resonator. De reden hiervoor is niet alleen opscheppen. Wanneer hoge lichtenergie circuleert in een resonator, het begint interessante eigenschappen te onthullen. Bijvoorbeeld, de resonator begint fotonen van licht te produceren met nieuwe frequenties en dus van verschillende kleuren.

Een nieuw gecreëerde regenboog van kleuren staat bekend als een frequentiekam. De vele nuttige eigenschappen van een kam leidden ertoe dat onderzoekers die werkten aan 'de optische frequentiekamtechniek' in 2005 de Nobelprijs voor de natuurkunde wonnen. In tegenstelling tot een hemelregenboog, degene die in een resonator is gemaakt, vertoont geen continu spectrum van kleuren. In plaats daarvan, het bevat een regelmatig en gelijkmatig verdeeld kleurenpatroon, vergelijkbaar met de tanden op een kam. Door de regelmaat van deze tanden kunnen deze kammen worden gebruikt voor ultraprecieze metingen, bijvoorbeeld van afstanden en tijd.

De studie van de Universiteit van Bath heeft aangetoond dat het versterken van de interacties van lichte materie om frequentiekammen te maken niet de enige reden is waarom microresonatoren met hoge finesse belangrijk zijn. Als finesse relatief klein is, dan zorgt het afstemmen van een laser rond een van de resonanties ervoor dat een bepaalde kamtand zijn kleur continu aanpast. Het bereiken van finesses van enkele duizenden en in tienduizenden, echter, begint deze continuïteit te doorbreken.

Wanneer de continuïteit wordt verbroken, een laser die is afgestemd om een ​​paar fotonen met twee specifieke kleuren te genereren, moet het 'inactieve interval' doorlopen voordat de volgende kleur wordt ontstoken. Tijdens deze pauze, er kan geen omzetting in nieuwe kleuren plaatsvinden.

In de taal van de resonantietheorie, de intervalcreatie wordt Arnold-tongen genoemd. Arnold-tongen is een fenomeen dat vaak wordt aangetroffen in netwerken van oscillatoren. De neuronen in onze hersenen werken volgens de regels van Arnold-tongen om de overdracht van signalen te synchroniseren.

De microresonatortongen die in de Bath-studie zijn gerapporteerd, vertegenwoordigen een kaart van de smalle tongachtige structuren die laat zien hoe laserparameters moeten worden afgestemd om al dan niet nieuwe kleuren te genereren.

Het proces voor het genereren van fotonenparen is een belangrijk fenomeen dat ten grondslag ligt aan de ontwikkeling van afstembare lichtbronnen voor verschillende toepassingen, en in het bijzonder voor optische gegevensverwerking en -overdracht. Het ontdekken van het verband tussen het genereren van fotonenparen en Arnold-tongen zal naar verwachting de efficiëntie van dit proces verhogen. Verdere vergroting van finesses is mogelijk door de microresonatoren te bevriezen tot een temperatuur waarbij de moleculen waarvan het is gemaakt, stoppen met trillen. Dit zal naar verwachting leiden tot nieuwe manieren om fotonen te manipuleren, en het Bath-team is van plan deze als volgende te bestuderen.

Professor Dmitry Skryabin van Bath's Centre for Photonics and Photonic Materials, en hoofdonderzoeker van dit onderzoek, zei, "Sinds de Nobelprijs van 2005, de kamtechnologie is snel verkleind tot de grootte van computerchips. Dit betekent dat geminiaturiseerde frequentiekamgeneratoren talloze uiteenlopende toepassingen kunnen hebben, bijvoorbeeld voor het monitoren van vervuiling, radartechnologie, en het ontdekken van nieuwe planeten."