I fisici russi e svizzeri hanno trovato un modo per migliorare e ridurre il costo dei dispositivi per la spettrometria. Si può sperare che in Russia appaia una nuova classe di produzione high-tech.

Gli scienziati del laboratorio del professor Igor Bilenko (Russian Quantum Center) e del gruppo del professor Tobias Kippenberg (EPFL, Svizzera) sono riusciti a combinare un diodo laser compatto e una microcavità ottica unica in un unico dispositivo. Il dispositivo che hanno creato - la sorgente di un pettine di frequenza ottica - ha la massima stabilità e dimensioni ridotte, quindi una normale batteria è sufficiente per alimentarlo. Tali fonti possono costituire la base di molti sensori utili che sono dotati di orologi "intelligenti", smartphone e altri dispositivi mobili. Ad esempio, uno spettrometro per l'analisi dell'aria inalata o uno studio non invasivo della composizione del sangue. Sono anche in grado di sostituire i laser nella trasmissione di dati ad alta velocità e saranno utilizzati nei computer quantistici attualmente sviluppati dalla società statale Rosatom come parte della tabella di marcia per il calcolo quantistico.

Barra luminosa

Per comprendere meglio la natura di un pettine di frequenza, immagina un arcobaleno: ogni colore corrisponde a un'onda elettromagnetica di una certa frequenza. Un laser convenzionale emette onde elettromagnetiche di esattamente una frequenza specifica (un colore). La particolarità del pettine di frequenza come generatore di radiazione ottica è che può fungere da righello estremamente preciso per misurare la frequenza delle onde luminose, poiché le distanze tra le sue linee nella gamma di frequenza sono fisse e molto stabili, come i denti di un pettine.

Nel 2005, Theodor W. Hänsch e John L. Hall hanno ricevuto il Premio Nobel "per il loro contributo allo sviluppo della spettroscopia di precisione laser, inclusa la tecnica del pettine di frequenza ottica". Come ha detto Hänsch nella sua conferenza per il Nobel, dall'invenzione dell'orologio a pendolo, il tempo e la frequenza sono state le quantità che possiamo misurare con la massima precisione.

La misurazione della frequenza, cioè il conteggio del numero di cicli in un determinato intervallo di tempo, infatti, è una procedura per lavorare con i numeri, che non devono essere mischiati a nessun rumore estraneo. Sono noti da tempo misuratori di frequenza elettronici operanti nella regione spettrale fino alla gamma delle onde radio. Ad esempio, gli orologi RF al cesio hanno una precisione di 15 cifre decimali. Orologi atomici ottici con un "pendolo" sotto forma di atomi e molecole che vibrano alla frequenza della luce possono fornire una precisione di misurazione ancora maggiore. Determinare le frequenze delle transizioni ottiche è necessario anche per testare leggi fisiche - ad esempio teorie della struttura degli atomi - e per affinare i valori delle costanti fisiche fondamentali. Tuttavia, l'applicazione di tali tecniche richiede una griglia di cosiddette frequenze di riferimento, legata allo standard del cesio e che copre il campo ottico, che consentirà di misurare con precisione la frequenza delle vibrazioni luminose utilizzate.

Svolta in fisica

Professore della Lomonosov Moscow State University Mikhail Gorodetsky, fondatore del laboratorio di microottica coerente e radiofotonica dell'RCC, Mikhail Gorodetsky è giustamente considerato uno dei fondatori della teoria delle microcavità ottiche e l'autore di esperimenti pionieristici con esse. In particolare, fu il primo a prevedere la possibilità di generare al loro interno dei pettini coerenti (solitoni). Prima di ciò, si riteneva che le relazioni di fase tra le singole linee in tali pettini fossero casuali, il che rende il pettine "rumoroso" e limita la possibilità della sua applicazione. Mikhail Gorodetsky ha scritto e pubblicato la monografia "Microrisonatori ottici con fattore di qualità gigante", che è un libro di riferimento per tutti gli specialisti in questo campo. Mikhail Gorodetsky ha previsto e misurato per la prima volta il rumore termorifrangente, un tipo speciale di fluttuazioni termodinamiche che sono un limite fondamentale per l'accuratezza di molti tipi di misurazioni ottiche. Mikhail Gorodetsky è stato anche un membro della collaborazione internazionale LIGO, dove ha ricevuto il Breakthrough Physics Prize per la scoperta delle onde gravitazionali.

Purtroppo una grave malattia ha posto fine alla sua vita nel 2019 all'età di 53 anni.

Per molto tempo sono stati creati sistemi complessi di molti laser, catene di frequenze laser, basati sulla generazione di armoniche superiori o sulla generazione di frequenze differenze. A cavallo tra il 20° e il 21° secolo, è stato sviluppato un approccio fondamentalmente nuovo, utilizzando i cosiddetti pettini di frequenza laser. Si è scoperto che i laser a femtosecondi che operano nella modalità di blocco della modalità ed emettono una sequenza periodica di impulsi ultracorti consentono di generare un segnale ottico il cui spettro contiene un insieme di spettri equidistanti (cioè a una distanza stabilmente uguale l'uno dall'altro) Linee.Da un punto di vista matematico, viene descritta una sequenza periodica di impulsi utilizzando una serie di Fourier e le linee del pettine corrispondono agli elementi di questa serie. Se la larghezza spettrale di un tale segnale è sufficientemente grande (supera un'ottava), è possibile creare una griglia di frequenza altamente stabile adatta per misurazioni ottiche di precisione. Successivamente, i pettini di frequenza laser hanno iniziato ad essere utilizzati nella ricerca scientifica, per più di vent'anni sono serviti come uno strumento importante per la spettroscopia ad alta precisione, che studia le proprietà dei materiali, la metrologia di frequenza di precisione, che consente di verificare la fisica fondamentale le leggi; per creare orologi atomici ottici e generare onde radio con la massima stabilità di fase.

Non sprecare energia

Per ampliare il loro campo di applicazione e trovare il modo di implementarli in prodotti commerciali, i fisici si sono rivolti a microrisonatori ottici che supportano la propagazione di onde di un tipo speciale: la cosiddetta "galleria del sussurro " modalità. Questo concetto è stato introdotto nella scienza fisica da Lord Rayleigh per descrivere le onde sonore. Puoi capire di cosa si tratta, ad esempio, nella galleria della Cattedrale di St. Paul a Londra o vicino all'arco della stazione della metropolitana Mayakovskaya a Mosca. Il suono, che riverbera ripetutamente da una parete liscia e curva di una galleria o di un arco, può propagarsi a grande distanza quasi senza attenuazione, e una parola pronunciata in un sussurro da un lato può essere facilmente udita dall'altro.

Successivamente è stato dimostrato che un effetto simile può essere osservato anche nel caso delle onde luminose, ad esempio nelle microcavità ottiche.

I microrisuonatori con modalità galleria sussurrante sono sfere - anelli o dischi realizzati con uno speciale materiale trasparente di dimensioni variabili da frazioni di millimetro a diversi millimetri, all'interno delle quali la luce può viaggiare lungo la superficie per un tempo molto lungo, riflettendosi dalle pareti in un piccolo angolo.

Tali microrisonatori per l'ottica possono essere fabbricati con vari metodi, ad esempio facendo crescere cristalli con una data geometria, fondendo la superficie in una fiamma di miscela ossigeno-idrogeno, bruciando un pezzo rotante con un potente laser, con metodi litografici o mediante un taglierino diamantato a punta.

Metamorfosi fotoniche

Nel 2007, nel laboratorio del Professor Tobias Kippenberg presso il Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching, è stato dimostrato che la generazione di pettini di frequenza ottica è possibile introducendo radiazioni da un laser in un microrisonatore di alta qualità. Nell'esperimento è stato utilizzato un microrisonatore toroidale di alta qualità con un diametro di 75 µm, illuminato da un laser a una lunghezza d'onda di 1,55 µm.

Quindi è stato possibile dimostrare che in determinate condizioni (in particolare, se la potenza del laser supera un determinato valore di soglia), nel microrisonatore inizia un'interazione non lineare a quattro onde, quando due fotoni con frequenze uguali o diverse vengono convertiti in due fotoni con frequenze diverse e uno spettro a pettine viene generato dal laser a frequenza iniziale.

Questa scoperta ha suscitato grande interesse, poiché l'uso di microrisonatori può ridurre radicalmente le dimensioni e il costo del generatore di pettini di frequenza, oltre ad aumentare notevolmente l'efficienza energetica di tali dispositivi.

100 anni su un'altalena

I microrisuonatori con modalità galleria sussurrante furono mostrati per la prima volta nel 1989 presso la Facoltà di Fisica dell'Università statale di Mosca dal famoso scienziato Vladimir Braginsky, che, tra l'altro, ha svolto un ruolo importante nel scoperta delle onde gravitazionali e dei suoi colleghi Vladimir Ilchenko e Mikhail Gorodetsky. Negli ultimi trent'anni, tali risonatori sono diventati ampiamente utilizzati per risolvere problemi sia scientifici che applicati. Possedendo una combinazione unica di piccole dimensioni e gigantesco fattore di qualità (ora il valore record per questo parametro adimensionale, una delle caratteristiche chiave dei sistemi oscillatori, è di 100 miliardi), sono diventati la base per molti dispositivi compatti: sensori sensibili, fotoni radio generatori, filtri ottici a banda ultra stretta, laser altamente stabili e altri

Il fattore qualità determina la velocità con cui il sistema perde energia. Ad esempio, se un'altalena per bambini avesse lo stesso fattore di qualità, spingendo una volta, si potrebbe oscillare su di essa per più di 100 anni! Il fattore di alta qualità e le dimensioni ridotte portano anche a un'elevata concentrazione di energia elettromagnetica all'interno del microrisonatore, che contribuisce all'implementazione di processi in esso inaccessibili nei media ordinari o che richiedono l'uso di speciali laser ad alta potenza.

Successivamente, nel 2014, Tobias Kippenberg dell'EPFL (Losanna, Svizzera) e Mikhail Gorodetsky, che ha fondato un laboratorio presso il Russian Quantum Center (RCC), hanno sviluppato una tecnica per generare pettini di frequenza solitoni in microcavità con un livello di rumore senza precedenti.

Le sorgenti a pettine basate su microrisonatore sono ora utilizzate in spettroscopia, misurazioni di precisione, astrofisica e dispositivi di telecomunicazione.

Dal più grande al più piccolo

Con tutti i vantaggi di un tale sistema, il suo costo e le sue dimensioni dipendevano dalle caratteristiche di uno speciale laser a banda stretta. Nel 2018, Mikhail Gorodetsky e i suoi colleghi hanno dimostrato che è possibile sostituire un tale laser con un diodo laser in miniatura molto più conveniente (quasi lo stesso dei puntatori laser convenzionali) per generare pettini di frequenza. Ciò è stato possibile grazie all'uso del cosiddetto effetto trascinamento: accoppiando un normale diodo laser con un microrisonatore ad alto Q, è possibile trasformarlo in una sorgente stabile a banda stretta che supera ingombranti sistemi laser che costano diverse migliaia di dollari nei parametri. Una caratteristica notevole del dispositivo creato è che in esso lo stesso microrisonatore stabilizza il diodo laser e forma un pettine di frequenza ottica. E il dispositivo stesso, insieme a elementi aggiuntivi e una fonte di alimentazione, è così piccolo da stare in una scatola di fiammiferi.

Negli ultimi anni, la tecnologia per la produzione di microrisuonatori integrati si è sviluppata rapidamente. Tali risonatori sono ancora più piccoli e possono essere realizzati in qualsiasi quantità, come circuiti integrati per computer e telefoni. Se inizialmente le perdite in tali sistemi erano significativamente superiori a quelle dei microrisonatori cristallini, ora la qualità dei sistemi integrati realizzati con quarzo fuso o nitruro di silicio è praticamente uguale alla qualità delle microcavità volumetriche e i dispositivi basati su di esse sono più compatti ed efficienti . La localizzazione del campo nei sistemi integrati è molto più elevata, il che riduce i requisiti per la potenza laser richiesta per generare pettini di frequenza.

Le moderne tecnologie consentono di produrre non solo una singola microcavità su un chip, ma anche circuiti molto più complessi con molte microcavità interconnesse e guide di luce integrate. Il passaggio dai microrisonatori di volume a quelli integrati consente sia di ridurre significativamente le dimensioni delle sorgenti a pettine di frequenza sia di abbinarle efficacemente ad altre tecnologie fotoniche ampiamente utilizzate.

Il metodo consolidato di produzione di strutture integrate può ridurre significativamente i tempi di produzione, migliorare la "ripetibilità" delle caratteristiche e automatizzare la produzione di tali sistemi. Uno dei principali produttori di chip fotonici di alta qualità è la società svizzera Ligentec, una start-up del laboratorio del professor Kippenberg dell'EPFL.

Gli scienziati dell'RCC, con il supporto della Russian Science Foundation, continuano a studiare i fenomeni non lineari e quantistici nelle microcavità e, con la partecipazione dell'ufficio di rappresentanza russo di Samsung, sono impegnati nell'ottimizzazione della sorgente sviluppata di pettini ottici e pianificano di portarla presto sul mercato.

Vorrei sperare che nel prossimo futuro la Russia disponga di una propria produzione di fotonica integrata di altissima qualità, in modo che gli sviluppi degli scienziati russi siano implementati sulla base degli elementi domestici. I prototipi di circuiti integrati fotonici sviluppati presso l'Istituto di nanotecnologie di microelettronica dell'Accademia delle scienze russa (INME RAS) (gruppo di M.A. Tarkhov), attualmente in fase di test presso l'RCC, sono i più vicini ai migliori analoghi mondiali.

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