Um único laser é disparado através de um pente microscópico, que se divide em um arco-íris de cores. Tudo acontece de forma altamente controlada em um pequeno ressonador fotônico, e poderia abrir caminho para relógios mais precisos, a descoberta de exoplanetas e sistemas GPS aprimorados.

Os pesquisadores desenvolveram o chip primeiro de seu tipo, empregando o que é conhecido como efeito Pockels, no laboratório de Hong Tang, o Llewellyn West Jones, Professor Jr. de Engenharia Elétrica, Física e Física Aplicada. Os resultados do seu trabalho são publicados em Nature Photonics .

"Este trabalho desvenda um novo processo de física para produzir pentes de frequência, "Tang disse." Nós aproveitamos um material fotônico com estrutura de cristal de quebra de simetria - este tipo de material Pockels oferece uma não linearidade óptica mais forte do que os materiais convencionalmente usados. "

O chip possui uma microcombina, um dispositivo óptico extremamente pequeno que converte a única cor de um laser em uma matriz de cores com espaçamento uniforme - um efeito importante para aplicações como a espectroscopia. Tradicionalmente, isso é feito com o que é conhecido como microcombs Kerr, que são eficazes, mas requerem muita energia. Cientistas, no entanto, ficaram intrigados com a possibilidade de usar microcombas baseadas no efeito Pockels para aumentar o poder, e finalmente conseguiram fazê-lo há cerca de 10 anos em grandes cavidades com cerca de meio metro de comprimento. A diferença entre os dois é que o laser em um pente Kerr intensifica as cores dos lasers para fazer um pente, enquanto o pente de Pockels é criado quando o laser repetidamente dobra e divide pela metade sua frequência, que determina sua cor. Embora a microcomba de Pockels tenha um efeito muito mais forte, também é muito difícil de controlar.

Uma maneira de obter controle é com o uso de um soliton, uma onda solitária que se move de forma consistente e sem perder energia. Solitons podem ocorrer na natureza, como na água (eles foram observados pela primeira vez em uma ponte na Escócia por um engenheiro escocês do século 19 que observou uma única onda viajar por quilômetros). Eles ocorrem com luz também, e - como as leis da física prometem - seria fundamental no controle dos lasers criados pela microcombina de Pockels. Fazer alguém trabalhar com uma microcomba, no entanto, há muito provou ser evasivo para os cientistas.

"Sem o soliton, é apenas um monte de lasers fazendo suas próprias coisas, é como tentar pastorear gatos, "disse Alex Bruch, autor principal do estudo e ex-Ph.D. estudante no laboratório de Tang. Com o estado de soliton, no entanto, é como um corpo de exército bem treinado que pode marchar de forma ordenada e combinar suas forças. "" É incrivelmente difícil fazer ciência real com uma fonte de luz que muda aleatoriamente em você. O soliton é ótimo porque faz um bom, pulso óptico previsível que você pode usar para quase qualquer aplicação que desejar. As pessoas acham que isso deveria existir há muito tempo, mas era muito difícil fazer um ou observar um em um laboratório. O que é realmente importante sobre o nosso artigo é que esta é a primeira vez que conseguimos fazer aquele soliton funcionar. "

O laboratório Tang é o primeiro a fazer um soliton de Pockels em microescala, e grande parte de seu sucesso se deve à pequena escala em que trabalhavam. Normalmente, tal dispositivo ocupa o espaço de uma pequena caixa de sapatos. Mas o laboratório de Tang é especializado em nanofotônica, em que tudo é reduzido dramaticamente. Eles usam uma técnica de microfabricação que lhes permite atirar a luz no chip e várias cores são geradas em um anel não maior do que a largura de um cabelo humano.

"Podemos controlar tudo muito bem com um pequeno chip - a temperatura, a geometria - e acontece que, ao diminuir tudo, você aprimorou a física também porque está forçando todas essas ondas a interagir umas com as outras em um espaço minúsculo, "" Bruch disse.

Não só o efeito foi mais forte, mas também era muito mais eficiente do que usar a microcomba Kerr tradicional. Uma microcomba Kerr normalmente atinge uma taxa de conversão de cerca de 2-3%, enquanto sua microcombina Pockels - na primeira tentativa - atingiu 17%.

Bruch disse que planejam desenvolver essa pesquisa encontrando maneiras de ampliar a largura de banda, ou seja, o número de cores geradas a partir do laser.