Un team del Caltech guidato da Alireza Marandi ha realizzato un dispositivo ottico in grado di generare luce laser coerente che copre lo spettro più ampio mai ottenuto su chip. Si tratta di un passo avanti importante, perché fino a oggi le sorgenti di questo tipo richiedevano macchinari da laboratorio ingombranti e con consumi elevati, poco compatibili con applicazioni diffuse.
Al centro della scoperta c’è un oscillatore parametrico ottico (OPO), cioè un risonatore capace di trasformare un fascio laser in nuove frequenze grazie a un cristallo non lineare. Questa tecnologia esiste da decenni, ma tradizionalmente i dispositivi OPO erano voluminosi e riuscivano a coprire solo intervalli limitati di frequenze. L’innovazione del gruppo di Marandi è stata miniaturizzare il sistema direttamente su chip, ingegnerizzando la dispersione e progettando il risonatore a livello nanofotonico.
Il risultato è la produzione di un “pettine di frequenze”: una serie di linee luminose equidistanti che si estendono dalla luce visibile fino al medio infrarosso. In pratica, una sorta di righello ottico di grande precisione, utilizzabile in campi che vanno dalla metrologia alle telecomunicazioni. Non a caso, i frequency comb hanno valso il Nobel per la Fisica nel 2005, ma la loro diffusione è rimasta confinata a laboratori di ricerca proprio per via delle dimensioni e delle difficoltà di utilizzo.
La sorpresa maggiore, raccontano i ricercatori, è arrivata quando hanno osservato che il loro OPO, pur operando a soglie energetiche estremamente basse (nell’ordine dei femtojoule), riusciva a mantenere la coerenza del segnale anche in condizioni che secondo i modelli teorici avrebbero dovuto distruggerla. Dopo mesi di simulazioni, è emerso che il dispositivo funziona in un regime mai descritto prima, in cui la coerenza si rigenera anche molto al di sopra della soglia di accensione.
Questo abbassamento drastico dell’energia necessaria per generare e ampliare lo spettro apre nuove prospettive. Significa infatti che in futuro dispositivi fotonici integrati potrebbero fornire frequency comb direttamente su chip, riducendo costi, consumi e complessità. Le applicazioni vanno dalla spettroscopia molecolare, utile per l’analisi chimica e ambientale, agli orologi atomici, fino alla possibilità di integrare sistemi di misura ultraprecisi nei dispositivi di comunicazione.
Il lavoro è stato pubblicato su Nature Photonics ed è sostenuto da enti come NSF, DARPA, NASA JPL e Army Research Office.
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