A medição precisa das frequências de luz é necessária para a cronometragem. É também um componente crítico em muitos experimentos científicos e tecnologias, da defesa militar à detecção da poluição do ar, testes de física fundamental à detecção de exoplanetas. "Existem poucos empreendimentos humanos que são mais fundamentais e mais importantes para a tecnologia, "diz Curtis Menyuk, professor de Ciência da Computação e Engenharia Elétrica da UMBC.

Desde sua invenção em 2000, um dispositivo de medição especial chamado pente de frequência óptica surgiu como uma ferramenta poderosa para completar essas medições. Um pente de frequência consiste em muitas frequências espaçadas regularmente que são como os dentes de um pente. Esses dentes funcionam como as linhas de uma régua, tornando possível medir frequências com precisão e velocidade sem precedentes. Os pentes de frequência provaram ser tão importantes que metade do Prêmio Nobel de Física em 2005 foi concedido a John Hall e Theodor Hänsch por desenvolvê-los e demonstrar sua utilidade.

Contudo, "Uma dificuldade com a maioria dos sistemas de pente é que eles exigem caro, equipamento baseado em laser, "diz Menyuk. Em 2009, um grupo de pesquisa na Suíça mostrou que é possível usar ressoadores minúsculos de tamanho milimétrico, chamados microrressonadores, para gerar pentes de frequência. Isso levou a um esforço mundial para desenvolver esses pentes para aplicações. Nos Estados Unidos, este esforço foi apoiado pela NSF, NASA, e DARPA.

Contudo, este esforço enfrentou desafios significativos, também. Um desafio é que a potência de cada "dente" do pente é muito fraca sem amplificação significativa, o que requer um grande, sistema externo. Outro desafio é gerar o pente em primeiro lugar, "o que novamente requer um elaborado sistema de inicialização, "Menyuk explica." Como resultado, o sistema não é compacto, o que anula o propósito de usar microrressonadores. "

Um novo jornal em Optica , co-autoria de Menyuk, seu aluno de pós-graduação Zhen Qi, e seus colegas da Technological University of Pereira e da Purdue University, descrever uma abordagem que pode potencialmente resolver esses dois problemas usando novas formas de onda de luz.

Todos os sistemas de pente de frequência até agora usaram ondas de luz especiais chamadas solitons, que Menyuk vem estudando há mais de trinta anos. Ele, Qi, e seus co-autores sugeriram que formas de luz incomuns, conhecidas como ondas cnoidais ou rolos de Turing, são mais bem adaptadas do que os solitons ao tamanho pequeno dos microrressonadores. Eles demonstraram teoricamente que os pentes usando essas formas de onda podem ser obtidos apenas ligando a fonte de alimentação do microrressonador, ao contrário dos pentes de soliton, e produzir dentes de pente muito mais poderosos - o que resolveria os dois grandes desafios que atrapalham o desenvolvimento do microrressonador.

"O desenvolvimento bem-sucedido do compacto, os pentes de frequência no chip irão expandir muito a gama de aplicações para os pentes de frequência, "Menyuk diz." Em particular, eles aumentariam muito a rapidez com que os dados poderiam ser sincronizados em distâncias, habilitando aplicativos que agora só podemos imaginar. "