Cientistas em busca de fontes compactas e robustas de luz laser multicolorida geraram o primeiro pente de frequência topológica. O resultado, que se baseia em um pequeno chip de nitreto de silício modelado com centenas de anéis microscópicos, foi publicado na revista Science.

A luz de um laser comum brilha com uma cor única e bem definida – ou, equivalentemente, com uma única frequência. Um pente de frequência é como um laser aprimorado, mas em vez de emitir uma única frequência de luz, um pente de frequência brilha com muitos picos de frequência imaculados e uniformemente espaçados. O espaçamento uniforme entre as pontas lembra os dentes de um pente, o que dá nome ao pente de frequência.

Os primeiros pentes de frequência exigiam equipamentos volumosos para serem criados. Mais recentemente, os pesquisadores têm se concentrado em miniaturizá-los em plataformas integradas baseadas em chips . Apesar das grandes melhorias na redução do equipamento necessário para gerar pentes de frequência, as ideias fundamentais não mudaram. A criação de um pente de frequência útil requer uma fonte estável de luz e uma maneira de dispersar essa luz nos dentes do pente, aproveitando o ganho óptico, a perda e outros efeitos que surgem quando a fonte de luz se torna mais intensa.

No novo trabalho, o JQI Fellow Mohammad Hafezi, que também é professor Minta Martin de engenharia elétrica e de computação e física na Universidade de Maryland (UMD), o JQI Fellow Kartik Srinivasan, que também é membro do National Institute of Standards e Technology e vários colegas combinaram duas linhas de pesquisa em um novo método para gerar pentes de frequência.

Uma linha está tentando miniaturizar a criação de pentes de frequência usando anéis ressonadores microscópicos fabricados a partir de semicondutores. A segunda envolve fotônica topológica, que usa padrões de estruturas repetidas para criar caminhos para a luz que são imunes a pequenas imperfeições na fabricação.

“O mundo dos pentes de frequência está explodindo em sistemas integrados de anel único”, diz Chris Flower, estudante de graduação da JQI e do Departamento de Física da UMD e autor principal do novo artigo. "Nossa ideia era essencialmente: poderia uma física semelhante ser realizada em uma rede especial de centenas de anéis acoplados? Foi uma grande escalada na complexidade do sistema."

Ao projetar um chip com centenas de anéis ressonadores dispostos em uma grade bidimensional, Flower e seus colegas projetaram um padrão complexo de interferência que recebe a luz do laser de entrada e a faz circular ao redor da borda do chip enquanto o próprio material do chip o divide. em muitas frequências.

No experimento, os pesquisadores tiraram fotos da luz acima do chip e mostraram que ela estava, de fato, circulando pela borda. Eles também desviaram parte da luz para realizar uma análise de alta resolução de suas frequências, demonstrando que a luz circulante tinha duas vezes a estrutura de um pente de frequência. Eles encontraram um pente com dentes relativamente largos e, aninhado dentro de cada dente, encontraram um pente menor escondido.

Embora este pente aninhado seja apenas uma prova de conceito no momento - seus dentes não estão espaçados de maneira uniforme e são um pouco barulhentos para serem chamados de originais - o novo dispositivo pode levar a um equipamento de pente de frequência menor e mais eficiente que pode ser usado em relógios atômicos, detectores de telêmetro, sensores quânticos e muitas outras tarefas que exigem medições precisas de luz.

O espaçamento bem definido entre os picos em um pente de frequência ideal os torna excelentes ferramentas para essas medições. Assim como as linhas uniformemente espaçadas em uma régua fornecem uma forma de medir a distância, os picos igualmente espaçados de um pente de frequência permitem a medição de frequências desconhecidas de luz. A mistura de um pente de frequência com outra fonte de luz produz um novo sinal que pode revelar as frequências presentes na segunda fonte.

Pelo menos qualitativamente, o padrão repetitivo de ressonadores de anel microscópicos no novo chip gera o padrão de picos de frequência que circulam em torno de sua borda.

Individualmente, os microanéis formam pequenas células que permitem que os fótons – as partículas quânticas de luz – saltem de um anel para outro. A forma e o tamanho dos microanéis foram cuidadosamente escolhidos para criar o tipo certo de interferência entre os diferentes caminhos de salto e, em conjunto, os anéis individuais formam um superanel. Coletivamente, todos os anéis dispersam a luz de entrada nos vários dentes do pente e os guiam ao longo da borda da grade.

Os microanéis e o superanel maior fornecem ao sistema duas escalas de tempo e comprimento diferentes, uma vez que a luz leva mais tempo para viajar ao redor do superanel maior do que qualquer um dos microanéis menores. Em última análise, isso leva à geração de dois pentes de frequência aninhados: um é um pente grosso produzido pelos microanéis menores, com picos de frequência amplamente espaçados. Dentro de cada uma dessas pontas grosseiramente espaçadas existe um pente mais fino, produzido pelo superanel.

Os autores dizem que esta estrutura aninhada de pente dentro de um pente, que lembra as bonecas russas, pode ser útil em aplicações que exigem medições precisas de duas frequências diferentes que estão separadas por uma grande lacuna.

Demorou mais de quatro anos para que o experimento fosse concluído, um problema agravado pelo fato de que apenas uma empresa no mundo poderia fabricar os chips que a equipe havia projetado.

As primeiras amostras de chips tinham microanéis muito grossos com curvas muito acentuadas. Uma vez que a luz de entrada passasse por esses anéis, ela se espalharia de todas as maneiras indesejadas, eliminando qualquer esperança de gerar um pente de frequência.

“A primeira geração de chips não funcionou por causa disso”, diz Flower. Voltando ao design, ele reduziu a largura do anel e arredondou os cantos, chegando finalmente a uma terceira geração de chips, entregue em meados de 2022.

Ao iterar no design do chip, Flower e seus colegas também descobriram que seria difícil fornecer energia laser suficiente ao chip. Para que o chip funcionasse, a intensidade da luz de entrada tinha que exceder um limite – caso contrário, nenhum pente de frequência se formaria.

Normalmente, a equipe teria utilizado um laser CW comercial, que emite um feixe contínuo de luz. Mas esses lasers forneceram muito calor aos chips, fazendo com que queimassem ou inchassem e ficassem desalinhados com a fonte de luz. A equipe precisava concentrar a energia em rajadas para lidar com esses problemas térmicos, por isso optou por um laser pulsado que fornece sua energia em uma fração de segundo.

Mas isso introduziu seus próprios problemas: os lasers pulsados disponíveis no mercado tinham pulsos muito curtos e continham muitas frequências. Eles tendiam a introduzir uma confusão de luz indesejada – tanto na borda do chip quanto no meio – em vez da luz específica limitada pela borda que o chip foi projetado para dispersar em um pente de frequência. Devido ao longo tempo de espera e às despesas envolvidas na obtenção de novos chips, a equipe precisava ter certeza de encontrar um laser que equilibrasse o fornecimento de potência de pico com pulsos ajustáveis de maior duração.

“Enviei e-mails para basicamente todas as empresas de laser”, diz Flower. "Procurei encontrar alguém que pudesse fazer para mim um laser personalizado, ajustável e de longa duração de pulso. A maioria das pessoas disse [que] não fez isso e está ocupada demais para fazer lasers personalizados. Mas uma empresa na França voltou para mim e disse: 'Podemos fazer isso.'"

Sua persistência valeu a pena e, depois de algumas remessas de ida e volta da França para instalar um sistema de resfriamento mais robusto para o novo laser, a equipe finalmente enviou o tipo certo de luz para seu chip e viu um pente de frequência aninhado sair.

A equipe diz que embora seu experimento seja específico para um chip feito de nitreto de silício, o design poderia facilmente ser traduzido para outros materiais fotônicos que poderiam criar pentes em diferentes bandas de frequência. Eles também consideram seu chip a introdução de uma nova plataforma para estudar fotônica topológica, especialmente em aplicações onde existe um limite entre comportamento relativamente previsível e efeitos mais complexos – como a geração de um pente de frequência.