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Configuração experimental para gerar um conjunto de frequências estáveis em um pente de frequência de microrressonador a laser de refrigeração criogênica. O microrressonador em forma de anel, pequeno o suficiente para caber em um microchip, opera com potência laser muito baixa e é fabricado a partir do arseneto de gálio e alumínio semicondutor de alumínio. Crédito: NIST
Assim como um medidor com centenas de marcas de escala pode ser usado para medir distâncias com grande precisão, um dispositivo conhecido como pente de frequência a laser, com centenas de frequências definidas com espaçamento uniforme, pode ser usado para medir as cores das ondas de luz com grande precisão.
Pequenas o suficiente para caber em um chip, versões em miniatura desses pentes - assim denominadas porque seu conjunto de frequências uniformemente espaçadas se assemelha aos dentes de um pente - estão possibilitando uma nova geração de relógios atômicos, um grande aumento no número de sinais que viajam através fibras ópticas e a capacidade de discernir pequenas mudanças de frequência à luz das estrelas que sugerem a presença de planetas invisíveis. A versão mais recente dessas "microcombas" baseadas em chip, criada por pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (UCSB), está pronta para avançar ainda mais as medições de tempo e frequência, melhorando e estendendo os recursos desses pequenos dispositivos.
No centro dessas microcombas de frequência, encontra-se um microrressonador óptico , um dispositivo em forma de anel com a largura de um cabelo humano, no qual a luz de um laser externo percorre milhares de vezes até atingir alta intensidade. Microcombs, geralmente feitas de vidro ou nitreto de silício, geralmente requerem um amplificador para a luz externa do laser, o que pode tornar o pente complexo, complicado e caro de produzir.
Os cientistas do NIST e seus colaboradores da UCSB demonstraram que as microcombas criadas a partir do arseneto de alumínio e gálio semicondutor têm duas propriedades essenciais que os tornam especialmente promissores. Os novos pentes operam com uma potência tão baixa que não precisam de um amplificador e podem ser manipulados para produzir um conjunto de frequências extraordinariamente constante - exatamente o que é necessário para usar o pente de microchips como uma ferramenta sensível para medir freqüências com precisão extraordinária. (A pesquisa faz parte do programa NIST on a Chip.)
A recém-desenvolvida tecnologia de microcombustível pode ajudar a permitir que engenheiros e cientistas façam medições precisas de frequência óptica fora do laboratório, disse o cientista do NIST Gregory Moille. Além disso, a microcombustível pode ser produzida em massa por meio de técnicas de nanofabricação semelhantes às já utilizadas na fabricação de microeletrônica.
Os pesquisadores da UCSB lideraram esforços anteriores no exame de microrressonadores compostos de arseneto de alumínio e gálio. Os pentes de frequência feitos com esses microrressonadores requerem apenas um centésimo da potência de dispositivos fabricados com outros materiais. No entanto, os cientistas não conseguiram demonstrar uma propriedade essencial - que um conjunto discreto de frequências inabaláveis ou altamente estáveis poderia ser gerado a partir de um microrressonador feito desse semicondutor.
A equipe do NIST resolveu o problema, colocando o microrressonador dentro de um aparelho criogênico personalizado que permitia aos pesquisadores sondar o dispositivo em temperaturas tão baixas quanto 4 graus acima do zero absoluto. O experimento de baixa temperatura revelou que a interação entre o calor gerado pela luz do laser e a luz que circulava no microrressonador era o único obstáculo que impedia o dispositivo de gerar as frequências altamente estáveis necessárias para uma operação bem-sucedida.
Em baixas temperaturas, a equipe demonstrou que poderia alcançar o chamado regime de solitões - onde pulsos de luz individuais que nunca mudam de forma, frequência ou velocidade circulam dentro do microrressonador. Os pesquisadores descrevem seu trabalho na edição de junho da Laser and Photonics Reviews .
Com esses solitons, todos os dentes do pente de frequência estão em fase um com o outro, para que possam ser usados como uma régua para medir as frequências empregadas em relógios ópticos, síntese de frequência ou medições de distância baseadas em laser.
Embora alguns sistemas criogênicos recentemente desenvolvidos sejam pequenos o suficiente para serem usados com a nova microcombina fora do laboratório, o objetivo final é operar o dispositivo em temperatura ambiente. As novas descobertas mostram que os cientistas terão que extinguir ou evitar completamente o excesso de aquecimento para alcançar a temperatura ambiente.
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Mais informações: Gregory Moille et al., Dissipative Kerr Solitons em um III-V Microresonator, Laser & Photonics Reviews (2020). DOI: 10.1002 / lpor.202000022
Fornecido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia
Fonte: Phys News / por Ben P. Stein, Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia / 22-06-2020
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HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA
(NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA
GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela
NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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