Para experimentos que requieren mediciones extremadamente precisas y control de los átomos (pensemos en relojes atómicos de dos fotones, sensores de interferómetro de átomos fríos y puertas cuánticas), los láseres son la tecnología preferida, más específicamente pura (emisión de un solo color/frecuencia), mejor. . La tecnología láser convencional a escala de laboratorio logra actualmente esta luz estable y de ruido ultra bajo a través de sistemas de mesa costosos y voluminosos diseñados para generar, consumir y emitir fotones dentro de un rango espectral estrecho.
Pero ¿qué pasaría si estas aplicaciones nucleares pudieran liberarse de su actual confinamiento en laboratorios y mesas de trabajo? Este desarrollo está en el centro de los esfuerzos en el laboratorio del profesor de ingeniería de la UC Santa Bárbara, Daniel Blumenthal, donde su equipo intenta 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 Andrey Ischenko, estudiante de posgrado en investigación en el laboratorio de Blumenthal. “Esto afectará a áreas tecnológicas 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 revista Informes científicosBlumenthal, Isichenko y su equipo presentan un desarrollo en esta dirección con un láser de 780 nm bloqueado por autoinyección y ancho de línea ultrabajo a escala de chip. Los investigadores dicen que el dispositivo, del tamaño aproximado de una cerilla, podría superar a los láseres actuales de 780 nm de ancho de línea estrecho a una fracción del costo de fabricación y del espacio de almacenamiento.
Equipando el láser
El átomo que impulsa el crecimiento del láser es el rubidio, por lo que se eligió por sus propiedades conocidas que lo hacen ideal para una variedad de aplicaciones de alta precisión. La estabilidad de su transición óptica D2 adapta bien al átomo a los relojes atómicos. La sensibilidad del átomo también lo convierte en una opción popular para sensores y física de átomos fríos. Al pasar el láser a través de un vapor de átomos de rubidio como referencia atómica, un láser de infrarrojo cercano puede adquirir las propiedades de transiciones atómicas estables.
“Se pueden utilizar líneas de transición atómica para equipar un láser”, señala Blumenthal, autor principal del artículo. “En otras palabras, al fijar el láser a una línea de transición atómica, el láser adquiere más o menos las propiedades de esa transición atómica en términos de estabilidad”.
Pero una elegante luz roja no constituye un láser preciso. Para obtener la calidad de luz deseada, se debe eliminar el “ruido”. Blumenthal lo describe como un diapasón en comparación con las cuerdas de una guitarra.
“Si tienes un diapasón y tocas una nota C, probablemente sea una nota C bastante perfecta”, explicó. “Pero si tocas C en la guitarra, puedes escuchar otros tonos allí”. De manera similar, los láseres pueden agregar diferentes frecuencias (colores) que producen “tonos” adicionales. Para crear la frecuencia única deseada, en este caso luz pura de color rojo intenso, los sistemas de mesa añaden componentes adicionales para silenciar aún más la luz láser. El desafío para los investigadores era integrar toda la funcionalidad y el rendimiento en un solo chip.
El equipo utilizó una combinación de diodos láser Fabry-Perot disponibles comercialmente, una de las guías de ondas de menor pérdida del mundo (desarrollada en el laboratorio de Blumenthal); así como resonadores de factor de la más alta calidad, todos fabricados en una plataforma de nitruro de silicio. Al hacerlo, pudieron replicar el rendimiento de grandes sistemas de mesa, y su dispositivo, según sus pruebas, superó a algunos láseres de mesa, así como a los láseres coherentes previamente informados, en métricas clave, como la intensidad de la frecuencia, que puede retrasarse en cuatro. órdenes de magnitud. Ruido y ancho de línea.
“La importancia de valores de ancho de línea bajos es que podemos obtener un láser compacto sin sacrificar el rendimiento del láser”, explicó Isichenko. “En cierto modo, el rendimiento es mejor que el de los láseres convencionales debido a la integración completa a escala de chip. Estos anchos de línea nos ayudan a interactuar mejor con los sistemas atómicos, los láseres para resolver completamente las señales atómicas. Elimina la contribución del ruido, por ejemplo, al entorno en el que se encuentran. están sintiendo.” Los anchos de línea bajos (un récord fundamental sub-Hertz y una integral sub-KHz en términos de este proyecto) indican la estabilidad de la tecnología láser y su capacidad para controlar el ruido de fuentes tanto externas como internas.
Las ventajas adicionales de esta tecnología incluyen el costo: utiliza un diodo de $50 y utiliza un proceso de fabricación escalable y rentable que se crea mediante un proceso de escala de oblea compatible con CMOS que es electrónico.
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 entornos dentro y fuera del laboratorio, incluidos experimentos cuánticos, cronometraje atómico y detección de debilidad. de señales, como cambios en la aceleración de la gravedad alrededor de la Tierra.
“Se pueden colocar en un satélite para mapear la gravedad alrededor de la Tierra y alrededor de la Tierra en cierta cantidad”, 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 una “adaptación perfecta” para implementar la tecnología en el espacio, añadió.
