Todos hemos experimentado aire y agua turbulentos, pero ¿sabías que la luz también puede ser turbulenta?
Un equipo internacional de investigadores, dirigido por Federico Capasso, el Profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada y Vinton Hayes Senior Research Fellow en Ingeniería Eléctrica en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS John A. Paulson de Harvard, ha aprovechadoturbulencia en la luz para crear un tipo específico de láser de alta precisión, conocido como peine de frecuencia láser, en un sistema que antes se creía incapaz de producir dicho láser. El descubrimiento podría utilizarse en una nueva generación de dispositivos para aplicaciones como la espectroscopía ópticay sentir
La investigación se publica en Naturaleza .
Los peines de frecuencia son herramientas ampliamente utilizadas para detectar y medir diferentes frecuencias de luz con una precisión única. A diferencia de los láseres convencionales, que emiten una sola frecuencia, estos láseres emiten múltiples frecuencias en el mismo paso, espaciados uniformemente para parecerse a los dientes de un peine. Hoy en día, se utilizan en todo, desde monitoreo ambiental y detección química hasta la búsqueda de exoplanetas, comunicaciones ópticas y metrología y temporización de alta precisión.
Capasso y su equipo en SEAS han estado trabajando para hacer que estos dispositivos sean más eficientes y compactos para aplicaciones que incluyen telecomunicaciones y detección portátil.
En 2019, Capasso y su equipo descubrieron cómo transmitir señales inalámbricas desde peines de frecuencia láser, creando el primer transmisor de radio láser. Los investigadores usaron láseres cuánticos en cascada cuánticos con forma de barras Kit Kat muy pequeñas, que generaron peines de frecuencia al rebotar la luzde extremo a extremo. Esta luz que rebota crea ondas contrapropagantes que interactúan entre sí para generar las diferentes frecuencias del peine. Sin embargo, estos dispositivos aún emiten mucha luz que no se usaba en las aplicaciones de radiocomunicación.
"Al entrar en esta investigación, nuestra pregunta principal era cómo podemos hacer una mejor geometría para las radios láser", dijo Marco Piccardo, ex becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo.
Piccardo es actualmente investigador en el Istituto Italiano di Tecnologia en Milán.
Los investigadores recurrieron a los láseres de cascada cuántica en anillo, que, debido a su forma circular, pueden generar un láser con una pérdida óptica muy baja. Sin embargo, los láseres en anillo tienen un problema fundamental a la hora de generar peines de frecuencia: haces de luz que viajan en unel círculo perfecto se propaga solo en una dirección, en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, y por lo tanto no puede generar las ondas de contrapropagación necesarias para formar un peine. Para superar este problema, los investigadores introdujeron pequeños defectos en los anillos y compararon los resultados congrupo de anillos sin defectos.
Pero cuando los investigadores realizaron el experimento, los resultados sorprendieron a todos.
Los anillos perfectos, que según las teorías físicas anteriores no podían generar un peine de frecuencia, peines de frecuencia generados.
"Cuando vimos eso, pensamos que esto es genial para nosotros, porque este es exactamente el tipo de luz que estamos buscando, solo que no esperábamos encontrarlo en este experimento en particular. El éxito parecía contradecir el láser actualteoría ", dijo Benedikt Schwarz, investigador de TU Wien en Viena y coautor del estudio.
Los investigadores trataron de explicar cómo podría ocurrir un fenómeno de este tipo, y finalmente encontraron turbulencia. En los fluidos, la turbulencia ocurre cuando un flujo de fluido ordenado se rompe en vórtices cada vez más pequeños que interactúan entre sí hasta que el sistema finalmente se convierte en caos., esto toma la forma de inestabilidades de las olas, en las cuales una pequeña perturbación se hace cada vez más grande y finalmente domina la dinámica del sistema.
Los investigadores descubrieron que pequeñas fluctuaciones en la corriente utilizada para bombear el láser causaron pequeñas inestabilidades en las ondas de luz, incluso en un láser de anillo perfecto. Esas inestabilidades crecieron e interactuaron entre sí, al igual que en un fluido turbulento. Esas interaccionesluego causó un peine de frecuencia estable.
"No solo cambiamos la geometría de los peines de frecuencia láser, descubrimos un sistema completamente nuevo para crear estos dispositivos, y al hacerlo, refundimos una ley fundamental de los láseres", dijo Piccardo.
En el futuro, estos dispositivos pueden usarse como microresonadores con bombeo eléctrico en circuitos fotónicos integrados. Los microresonadores con escala de chips de hoy en día son pasivos, lo que significa que la energía debe bombearse ópticamente desde el exterior, lo que aumenta el tamaño y la complejidad del sistema. Pero el anilloel peine de frecuencia láser está activo, lo que significa que puede generar su propia luz simplemente inyectando corriente eléctrica en él. También proporciona acceso a regiones del espectro electromagnético que no están cubiertas por micro resonadores. Esto podría ser útil en una variedad de aplicaciones, comoespectroscopía óptica y detección química.
"Este es un primer paso muy importante para conectar microresonadores pasivos con peines de frecuencia activos", dijo Capasso. "Combinar las ventajas de estos dos dispositivos podría tener importantes implicaciones fundamentales y tecnológicas".
Esta investigación fue coautora de Dmitry Kazakov, Maximilian Beiser, Nikola Opacak, Yongrui Wang, Shantanu Jha, Johannes Hillbrand, Michele Tamagnone, Wei Ting Chen, Alexander Y. Zhu, Lorenzo L. Columbo y Alexey Belyanin.
Fue apoyado por la National Science Foundation bajo el Premio No. CCSS-1807323
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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