Os pentes de frequência óptica são amplamente utilizados, ferramentas de alta precisão para medir e detectar frequências diferentes — a.k.a. cores - de luz. Ao contrário dos lasers convencionais, que emitem uma única frequência, esses lasers emitem várias frequências simultaneamente. As frequências igualmente espaçadas lembram os dentes de um pente. Pentes de frequência óptica são usados ​​para tudo, desde medir as impressões digitais de moléculas específicas para detectar exoplanetas distantes.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson estão explorando a possibilidade de usar um pente de frequência infravermelho para gerar frequências terahertz indescritíveis. Essas frequências - que se encontram no espectro eletromagnético entre as ondas de rádio e a luz infravermelha - há muito prometem transformar as comunicações e a detecção, mas são muito difíceis de obter. Aproveitando um estado de laser recentemente descoberto, Os pesquisadores do SEAS descobriram um pente de frequência infravermelho em um laser em cascata quântica que oferece uma nova maneira de gerar frequências terahertz.

Chamado de pente de frequência harmônica, este novo sistema produz um espectro de dentes com espaçamento dezenas de vezes maior do que os pentes de frequência tradicionais. O espaçamento grande, mas preciso, permite que esses modos de luz se combinem para produzir tons terahertz extremamente puros.

A pesquisa é descrita em Nature Photonics .

"A descoberta do estado harmônico dos lasers em cascata quântica é surpreendente do ponto de vista da física do laser, "disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica e autor sênior do artigo. "Até recentemente, pensava-se que os lasers multimodo normalmente afetariam todas as frequências possíveis da cavidade. No estado harmônico, muitas frequências de cavidade são ignoradas. Ainda mais notável é que esta descoberta abre oportunidades imprevistas em regiões não utilizadas do espectro eletromagnético, o terahertz. "

Em combs de frequência tradicionais, os dentes são separados por uma pequena frequência ditada pelo comprimento característico da cavidade do laser - o que significa que os dentes ficam próximos uns dos outros. O pente de frequência harmônica, Contudo, pode usar um múltiplo maior dessa frequência.

"Com este novo regime de pente, podemos contornar as limitações estritas definidas pelo comprimento da cavidade e alcançar um grau sem precedentes de flexibilidade no reino dos pentes de frequência de laser em cascata quântica, "disse Marco Piccardo, bolsista de pós-doutorado no laboratório de Capasso e co-autoria do artigo.

A chave para a pesquisa foi provar que esses dentes amplamente espaçados eram de fato equidistantes. Usando outro pente de referência, a equipe foi capaz de estudar o espectro do pente de frequência harmônica em resolução muito alta.

“Mostramos que as linhas são equidistantes com uma incerteza de apenas 300 hertz, que quantifica a precisão relativa desta medição para cinco partes por trilhão, "disse Dmitry Kazakov, Estagiário de pesquisa visitante no grupo Capasso e co-autor do artigo. "É como se alguém pudesse medir a distância da Terra à Lua e estar com menos do que a espessura de um fio de cabelo humano."

A maioria dos geradores terahertz atuais usam grandes, sistemas ópticos complexos operando em temperaturas próximas de zero para produzir frequências terahertz. O comb de frequência harmônica opera em temperatura ambiente, usa lasers comerciais em cascata quântica, e é autoiniciador, o que significa que o laser pode mudar automaticamente para este regime quando a corrente elétrica é injetada no dispositivo.

"Isso abre aplicações completamente novas para pentes de frequência, especialmente em comunicações sem fio, "Capasso disse." Prevemos que em um futuro próximo este regime de pente habilitará uma nova classe de modem em escala de chip operando em frequências terahertz, acomodando a demanda cada vez maior do consumidor por comunicação digital de alta taxa de dados. "