Na capa do álbum Dark Side of the Moon do Pink Floyd, um prisma divide um raio de luz em todas as cores do arco-íris. Este medley multicolorido, que deve seu surgimento ao fato de que a luz viaja como uma onda, está quase sempre escondido à vista de todos; um prisma simplesmente revela que ele estava lá. Por exemplo, a luz do sol é uma mistura de muitas cores diferentes de luz, cada um balançando para cima e para baixo com sua própria frequência característica. Mas, juntas, as cores se fundem em um brilho amarelado uniforme.

Um prisma, ou algo parecido, também pode desfazer essa divisão, misturando um arco-íris de volta em um único feixe. No final dos anos 1970, cientistas descobriram como gerar muitas cores de luz, espaçados uniformemente em frequência, e misturá-los - uma criação que ficou conhecida como um pente de frequência por causa da forma pontiaguda com que as frequências se alinhavam como os dentes de um pente. Eles também sobrepuseram as cristas das diferentes frequências em um ponto, fazendo com que as cores se juntem para formar pulsos curtos de luz, em vez de um feixe contínuo.

Com o desenvolvimento da tecnologia de pente de frequência, cientistas perceberam que eles poderiam permitir novos desenvolvimentos de laboratório, como relógios atômicos ópticos ultraprecisos, e, em 2005, os combs de frequência haviam dado a dois cientistas uma parte do Prêmio Nobel de Física. Nos dias de hoje, os pentes de frequência estão encontrando usos na tecnologia moderna, ajudando carros autônomos a "ver" e permitindo que fibras ópticas transmitam muitos canais de informações de uma só vez, entre outros.

Agora, uma colaboração de pesquisadores da Universidade de Maryland (UMD) propôs uma maneira de tornar os pentes de frequência do tamanho de um chip dez vezes mais eficientes, aproveitando o poder da topologia - um campo da matemática abstrata que está subjacente a alguns dos comportamentos mais peculiares dos materiais modernos . O time, liderado pelos Fellows JQI Mohammad Hafezi e Kartik Srinivasan, bem como Yanne Chembo, professor associado de engenharia elétrica e da computação na UMD e membro do Instituto de Pesquisa em Eletrônica e Física Aplicada, publicou seu resultado recentemente no jornal Física da Natureza .

"A topologia surgiu como um novo princípio de design em óptica na última década, "diz Hafezi, "e isso levou a muitos novos fenômenos intrigantes, alguns sem contrapartida eletrônica. Seria fascinante se alguém também encontrasse uma aplicação dessas idéias. "

Pequenos chips que podem gerar um pente de frequência já existem há quase quinze anos. Eles são produzidos com a ajuda de ressoadores de micro-anéis - círculos de material que ficam em cima de um chip e guiam a luz em um loop. Esses círculos são geralmente feitos de um composto de silício com 10 a 100 mícrons de diâmetro e impressos diretamente em uma placa de circuito.

A luz pode ser enviada para o micro-anel a partir de uma peça adjacente de composto de silício, depositado em linha reta nas proximidades. Se a frequência da luz corresponder a uma das frequências naturais do ressonador, a luz vai girar e girar milhares de vezes - ou ressoar - aumentando a intensidade da luz no anel antes de vazar de volta para o traço em linha reta.

Circular milhares de vezes dá à luz muitas chances de interagir com o silício (ou outro composto) através do qual está viajando. Essa interação faz com que outras cores de luz apareçam, distinta da cor enviada para o ressonador. Algumas dessas cores também ressoarão, dando voltas e mais voltas no círculo e construindo poder. Essas cores ressonantes estão em frequências uniformemente espaçadas - elas correspondem a comprimentos de onda de luz que são uma fração inteira da circunferência do anel, dobrando-se ordenadamente no círculo e forçando as frequências a formarem os dentes de um pente. Precisamente com a potência de entrada e cor certas, as cristas de todas as cores se sobrepõem automaticamente, fazendo um pente estável. As cores uniformemente espaçadas que compõem o pente se unem para formar um único, pulso estreito de luz circulando ao redor do anel.

"Se você ajustar a potência e a frequência da luz que vai para o ressonador para ficarem certas, magicamente na saída você obtém esses pulsos de luz, "diz Sunil Mittal, um pesquisador de pós-doutorado no JQI e o autor principal do artigo.

Os combs de frequência no chip permitem aplicações compactas. Por exemplo, A detecção e alcance de luz (LIDAR) permite que os carros autônomos detectem o que está ao seu redor, refletindo em pulsos curtos de luz produzidos por um filtro de frequência em seus arredores. Quando o pulso volta para o carro, ele é comparado com outro pente de frequência para obter um mapa preciso dos arredores. Em telecomunicações, os pentes podem ser usados ​​para transmitir mais informações em uma fibra óptica, escrevendo dados diferentes em cada um dos dentes do pente, usando uma técnica chamada multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM).

Mas os pentes de frequência em escala de chip também têm suas limitações. Em um micro-anel, a fração de potência que pode ser convertida da entrada em um pente na saída - a eficiência do modo - é fundamentalmente limitada a apenas 5 por cento.

Mittal, Hafezi, e seus colaboradores foram pioneiros anteriormente em uma matriz de micro-anéis com proteção topológica integrada, e usou-o para fornecer fótons individuais sob demanda e gerar fótons emaranhados feitos sob encomenda. Eles se perguntaram se uma configuração semelhante - uma rede quadrada de ressonadores de microanéis com anéis "link" extras - também poderia ser adaptada para melhorar a tecnologia de pente de frequência.

Neste cenário, os micro-anéis ao longo da borda externa da rede tornam-se distintos de todos os anéis do meio. A luz enviada para a rede passa a maior parte do seu tempo ao longo desta borda externa e, devido à natureza das restrições topológicas, não se espalha para o centro. Os pesquisadores chamam esse círculo externo de micro-anéis de super-anel.

A equipe esperava encontrar condições mágicas que formariam um pente de frequência nos pulsos que circulam ao redor do super-anel. Mas isso é complicado:cada um dos anéis na rede pode ter seu próprio pulso de luz circulando em círculos. Para obter um grande pulso de luz ao redor do super-anel, os pulsos dentro de cada micro-anel teriam que trabalhar juntos, sincronizando para formar um pulso geral percorrendo todo o limite.

Mittal e seus colaboradores não sabiam com que frequência ou potência isso aconteceria, ou se funcionaria. Entender, Mittal escreveu um código de computador para simular como a luz atravessaria a rede de 12 x 12 anéis. Para a surpresa da equipe, eles não só encontraram parâmetros que fizeram os pulsos de microanéis sincronizarem em um pulso de superanéis, mas também descobriram que a eficiência era dez vezes maior do que o possível para um único pente de anel.

Essa melhoria deve tudo à cooperação entre os micro-anéis. A simulação mostrou que os dentes do pente foram espaçados de acordo com o tamanho dos micro-anéis individuais, ou comprimentos de onda que se dobram perfeitamente ao redor do pequeno círculo. Mas se você ampliar qualquer um dos dentes individuais, você veria que eles foram realmente subdivididos em menores, sub-dentes mais finamente espaçados, correspondendo ao tamanho do super-anel. Simplificando, a luz de entrada foi acoplada com uma eficiência de alguns por cento em cada um desses sub-dentes extras, permitindo que a eficiência agregada chegue aos 50 por cento.

A equipe está trabalhando em uma demonstração experimental deste pente de frequência topológica. Usando simulações, eles foram capazes de destacar o nitreto de silício como um material promissor para os micro-anéis, bem como descobrir que frequência e potência de luz enviar. Eles acreditam que a construção de seu pente de frequência supereficiente deve estar ao alcance das técnicas experimentais de última geração.

Se tal pente for construído, pode se tornar importante para o desenvolvimento futuro de várias tecnologias-chave. A maior eficiência pode beneficiar aplicações como o LIDAR em carros autônomos ou relógios óticos compactos. Adicionalmente, a presença de subdentes finamente espaçados em torno de cada dente individual poderia, por exemplo, também ajuda a adicionar mais canais de informação em um transmissor WDM.

E a equipe espera que isso seja apenas o começo. "Pode haver muitas aplicações que ainda não conhecemos, "diz Mittal." Esperamos que haja muito mais aplicações e mais pessoas se interessem por esta abordagem. "