Os pesquisadores da UC Santa Barbara desenvolveram um laser compacto e de baixo custo que rivaliza com o desempenho de sistemas em escala de laboratório. Ele usa átomos de rubídio e técnicas avançadas de integração de chips para permitir aplicações como computação quântica, cronometrista e detecção ambiental, incluindo mapeamento de gravidade baseado em satélite.
Os lasers são indispensáveis para experimentos que requerem medição e controle atômicos ultra-precisas, como relógios atômicos de dois fóton, sensores de interferômetro de átomos frios e portões quânticos. A chave para a eficácia dos lasers é a pureza espectral, que é a emissão de luz de apenas uma cor ou frequência. Hoje, a obtenção da luz estável e ultra-baixa necessária para essas aplicações depende de sistemas de laser de bancada volumosos e caros projetados para gerar e gerenciar fótons dentro de uma faixa espectral estreita.
Mas e se essas aplicações atômicas pudessem escapar dos limites do laboratório e da bancada? Esta é a pesquisa de visão de visão no laboratório de Daniel Blumenthal, professor de engenharia da UC Santa Barbara, onde sua equipe está trabalhando para replicar o desempenho desses lasers de alta precisão em dispositivos leves e portáteis.
"Esses pequenos lasers permitirão soluções a laser escaláveis para sistemas quânticos práticos, bem como lasers para sensores quânticos portáteis, empregados de campo e baseados em espaço", disse Andrei Isichenko, pesquisador de pós-graduação no laboratório de Blumenthal. "Isso terá implicações para áreas de tecnologia, como computação quântica, usando átomos neutros e íons presos, bem como sensores quânticos de átomos frios, como relógios atômicos e gravime".
Em um artigo publicado na revista Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko e sua equipe descrevem o desenvolvimento de um laser de nanômetros de nanômetro de largura de linha de linha de linha de linha de auto-baixa em escala de chip nessa direção. Os pesquisadores dizem que o dispositivo, que é do tamanho de uma caixa de fósforos, pode superar os lasers de linha estreita de linha estreita e lasers nm em uma fração do custo e espaço de fabricação.
Os átomos de rubidium foram escolhidos para o laser, porque eles têm propriedades bem conhecidas que os tornam ideais para uma variedade de aplicações de alta precisão. A estabilidade de sua transição óptica D2 os torna ideais para relógios atômicos; A sensibilidade dos átomos também os torna uma escolha popular para sensores e física de átomos frios. Ao passar o laser através de um vapor de átomos de rubídio que servem como referência atômica, o laser do infravermelho próximo assume as propriedades de uma transição atômica estável.
"Você usa a linha de transição atômica para prender o laser", diz Blumenthal, o autor sênior do jornal. "Em outras palavras, travando o laser na linha de transição atômica, o laser assume mais ou menos as propriedades dessa transição atômica em termos de estabilidade".
Mas a luz vermelha sofisticada não contribui para um laser de precisão. Para obter a qualidade ideal da luz do laser, o "ruído" deve ser removido. Blumenthal o descreve como um garfo de ajuste versus uma corda de guitarra. "Se você acertar um C com um garfo de ajuste, pode ser um C muito perfeito", explica ele. "Mas se você acertar um C em um violão, poderá ouvir outros tons nele." Da mesma forma, a luz do laser pode conter diferentes frequências (cores), criando "tons" adicionais. Para produzir a frequência única necessária (neste caso, luz vermelha profunda pura), o sistema usa componentes adicionais para suavizar ainda mais a luz do laser. O desafio para os pesquisadores foi embalar toda essa funcionalidade e desempenho em um único chip.
"A equipe usou uma combinação de diodos a laser de Fabry-Perot disponível comercialmente, os guias de onda de menor perda do mundo (fabricados pelo laboratório de Blumenthal) e os ressonadores de fatores de maior qualidade, todos fabricados em uma plataforma de nitreto de silício. Ao fazê-lo, eles foram Capaz de replicar o desempenho de sistemas volumosos de bancada -- De acordo com seus testes, seu dispositivo superou alguns lasers de bancada, bem como lasers integrados relatados anteriormente, por quatro ordens de magnitude em métricas -chave como ruído de frequência e largura de linha.
"O significado dos baixos valores de largura de linha é que podemos alcançar lasers compactos sem sacrificar o desempenho do laser", explicou Isichenko. "De certa forma, o desempenho é melhorado em comparação com os lasers convencionais por causa da integração completa em escala de chips que foi alcançada. Essas larguras de linha nos ajudam a interagir melhor com o sistema atômico, eliminando a contribuição do ruído do laser e, portanto, resolvendo totalmente os sinais atômicos em Resposta ao ambiente que eles sentem, etc. "
As baixas larguras de linha, para este projeto, são sub-hertz e sub-kilohertz integrado larguras de linha fundamentais e sub-kilohertz, demonstrando a estabilidade e a capacidade da tecnologia a laser de superar o ruído de fontes externas e internas.
Outras vantagens da tecnologia incluem o custo-IT usa diodos de US $ 50 e são fabricados usando um processo de fabricação econômico e eficaz que é construído usando processos de escala de wafer compatíveis com CMOS, empréstimos do mundo da fabricação eletrônica de chips. O sucesso dessa tecnologia significa que esses lasers integrados fotônicos de alto desempenho, alta precisão e baixo custo podem ser implantados em uma variedade de configurações dentro e fora do laboratório, incluindo experimentos quânticos, tempo atômico e detecção dos sinais mais fracos, como mudanças na aceleração gravitacional ao redor da terra.
"Você pode colocar esses instrumentos em satélites e mapear a gravidade dentro e ao redor da Terra com alguma precisão", disse Blumenthal. "Você pode sentir o campo gravitacional ao redor da Terra para medir o aumento do nível do mar, mudanças no gelo do mar e terremotos". Ele acrescentou: "Essa tecnologia é compacta, de baixa potência e leve, tornando-a ideal para implantação no espaço".
