Para experimentos que requieren mediciones ultraprecisas y control de los átomos (piense en relojes atómicos de dos fotones, sensores de interferómetro de átomos fríos y puertas cuánticas), los láseres son la tecnología preferida, cuanto más espectralmente pura (emite un color/frecuencia). , mejor. Actualmente, la tecnología láser convencional a escala de laboratorio logra esta luz estable y de ruido ultrabajo con sistemas de mesa costosos y voluminosos diseñados para generar, entregar y emitir fotones dentro de un rango espectral estrecho.
Pero ¿qué pasaría si estas aplicaciones nucleares pudieran superar sus limitaciones actuales en laboratorios y mesas de trabajo? Este avance es el foco de los esfuerzos en el laboratorio del profesor de ingeniería de la UC Santa Bárbara, Daniel Blumenthal, donde su equipo quiere recrear el rendimiento de estos láseres en dispositivos livianos que caben en la palma de la mano.
“Estos pequeños láseres permitirán soluciones láser escalables para sistemas cuánticos reales, así como láseres para sensores cuánticos portátiles, desplegables en el campo y basados en el espacio”, dijo Andrei Isichenko, estudiante investigador graduado en el laboratorio de Blumenthal. “Esto afectará a áreas de la tecnología como la computación cuántica con átomos neutros e iones atrapados, y sensores cuánticos de átomos fríos, como relojes atómicos y gravímetros”.
En un artículo de la revista Informe científicoBlumenthal, Isichenko y su equipo presentan un desarrollo en esta dirección con un láser de 780 nm bloqueado con autoinyección y ancho de línea ultrabajo a escala de chip. Este dispositivo, del tamaño aproximado de una caja de cerillas, dicen los investigadores, podría superar a los láseres actuales de 780 nm de ancho de línea estrecho, por una fracción del costo de construcción y del espacio para contenerlos.
Lazo láser
El átomo que inspiró el desarrollo del láser fue el rubidio, por lo que se eligió por sus conocidas propiedades que lo hacen ideal para una variedad de aplicaciones de alta precisión. La estabilidad de su transición óptica D2 confiere al átomo los relojes atómicos; Su sensibilidad a los átomos lo convierte en una opción popular para sensores y física de átomos fríos. Al pasar un láser a través de un vapor de átomos de rubidio como referencia atómica, un láser de infrarrojo cercano puede captar propiedades de transiciones atómicas estables.
“Se pueden utilizar líneas de transición nuclear para unir el láser”, señaló Blumenthal, autor principal del artículo. “En otras palabras, al fijar el láser a una línea de transición nuclear, el láser adquiere más o menos las propiedades de esa transición nuclear en términos de estabilidad”.
Pero una elegante luz roja no es un láser perfecto. Para obtener la calidad de luz deseada, es necesario eliminar el “ruido”. Blumenthal lo describe como una cuerda de guitarra versus un diapasón.
“Si tienes un diapasón y tocas una nota C, probablemente sea una C bastante perfecta”, explicó. “Pero si tocas un Do en una guitarra, escucharás otros tonos allí”. Asimismo, los láseres pueden incorporar diferentes frecuencias (colores) que crean “tonos” adicionales. Para producir la frecuencia única deseada, en este caso luz pura de color rojo intenso, los sistemas de mesa incorporan componentes adicionales para silenciar aún más la luz láser. El desafío para los investigadores fue combinar toda esa funcionalidad y rendimiento en un solo chip.
El equipo utilizó una combinación de un diodo láser Fabry-Perot disponible comercialmente, algunas de las guías de ondas de menor pérdida del mundo (desarrolladas en el laboratorio de Blumenthal); así como un resonador de factor de la más alta calidad, todos construidos sobre una plataforma de nitruro de silicio. Al hacerlo, pudieron imitar el rendimiento de sistemas de mesa voluminosos, y su dispositivo, según sus pruebas, superó a algunos láseres de mesa, así como a los láseres integrados previamente informados, en cuatro órdenes de magnitud en métricas clave como las frecuencias. Ruido y ancho de línea.
“La importancia de los valores de ancho de línea más bajos es que podemos lograr un láser compacto sin sacrificar el rendimiento del láser”, explicó Isichenko. “De alguna manera, la integración completa a escala de chip mejora el rendimiento en comparación con los láseres convencionales. Estos anchos de línea nos ayudan a interactuar mejor con los sistemas nucleares, eliminando las contribuciones del ruido del láser para resolver completamente las señales nucleares en respuesta, por ejemplo, al entorno que están experimentando. . El bajo ancho de línea (un valor fundamental de subhercios récord y una integral de sub-kHz en términos de este proyecto) indica la estabilidad de la tecnología láser y su capacidad para superar el ruido de fuentes tanto externas como internas.
Otras ventajas de esta tecnología incluyen el costo: utiliza un diodo de $50 y emplea un proceso de fabricación rentable y escalable utilizando un proceso de escala de oblea compatible con CMOS que se basa en el mundo de la fabricación de chips electrónicos.
El éxito de esta tecnología significa que será posible implementar estos láseres fotónicos integrados de alto rendimiento, precisión y bajo costo en una variedad de situaciones dentro y fuera del laboratorio, incluidos experimentos cuánticos, cronometraje atómico y detección ultrafina. . señal, como cambios en la aceleración gravitacional alrededor de la Tierra.
“Se puede colocar en satélites para crear un mapa gravitacional de la Tierra y alrededor de la Tierra con cierta precisión”, dijo Blumenthal. “Se puede medir el aumento del nivel del mar, los cambios en el hielo marino y los terremotos detectando los campos gravitacionales alrededor de la Tierra”. La compacidad, el bajo consumo de energía y el peso ligero son “perfectos”, añadió, para implementar la tecnología en el espacio.