Uma nova pesquisa lança luz sobre a física fundamental dos combs de frequência, oferecendo uma visão sobre as habilidades de resolução de problemas da natureza e avanços promissores em tecnologia. Crédito:Escola Harvard John A. Paulson de Engenharia e Ciências Aplicadas
A natureza tem uma maneira de encontrar soluções ótimas para problemas complexos. Por exemplo, apesar dos bilhões de maneiras de uma única proteína se dobrar, as proteínas sempre se dobram de forma a minimizar a energia potencial. Bolor limoso, um organismo sem cérebro, sempre encontra a rota mais eficiente para uma fonte de alimento, mesmo quando apresentado a um obstáculo. Uma corda de pular, quando segurado em ambas as extremidades, sempre termina na mesma forma, uma curva conhecida como catenária.
Esse tipo de otimização é explicado pelo que é conhecido como princípio variacional:qualquer outra deformação - ou variação - da forma encontrada pela proteína, molde ou pular corda exigiria mais energia.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), descobriram que alguns lasers usam o mesmo princípio. A pesquisa é descrita em Cartas de revisão física .
Os pentes de frequência 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 em sincronia, espaçados uniformemente para se parecer com os dentes de um pente.
Quando um laser produz um pente de frequência, ele emite ondas de luz que se repetem periodicamente no tempo. Dependendo dos parâmetros do pente, essas ondas podem ter intensidade constante, embora variem na cor, ou parecem pulsos curtos de luz que aumentam e diminuem de intensidade.
Os pesquisadores sabem como os favos produzem pulsos, mas como os chamados lasers de frequência modulada podem manter uma intensidade constante em face da mudança de frequências tem sido um enigma duradouro.
Os modos de um pente de frequência óptica (linhas vermelhas) são unidos por um princípio variacional. Este princípio define um caminho específico (linha azul) no vasto espaço de parâmetros do laser, que é preferível a qualquer outro caminho (linhas cinzas) obtido por pequenas variações desta trajetória. Ao obedecer a este princípio variacional, o laser garante maximizar sua potência de saída. Crédito:Capasso Lab / Harvard SEAS
A equipe de pesquisadores, liderado por Federico Capasso, o Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica, foram capazes de reconstruir em uma escala de tempo de um trilionésimo de segundo a forma de onda emitida por fontes de luz conhecidas como lasers em cascata quântica, amplamente utilizado em espectroscopia e detecção. Eles descobriram que os lasers optam por emitir ondas de luz de uma forma que não apenas suprime as flutuações de intensidade - levando a uma intensidade constante no tempo - mas também maximiza a produção de energia.
"Descobrimos que um laser de frequência modulada pode ajustar parâmetros por si mesmo, semelhante a um DJ girando botões em um sintetizador de música, para minimizar as flutuações da onda de intensidade emitida, "disse Marco Piccardo, um pós-doutorado na SEAS e primeiro autor do artigo. "Girar todos esses botões da maneira certa não é uma tarefa fácil. Ao produzir uma forma de onda de intensidade quase plana, o laser de frequência modulada resolveu um problema complexo de otimização, funcionando exatamente como um computador analógico. "
"Esta descoberta desvenda a física de uma promissora tecnologia de pente de frequência, "disse Capasso." Beneficiando-se de uma modulação de intensidade mínima na saída do laser, esses dispositivos podem rivalizar com os lasers convencionais de modo de pulso ultracurto em aplicações de espectroscopia. "
