La nature a un moyen de trouver des solutions optimales à des problèmes complexes. Par exemple, malgré les milliards de façons pour une seule protéine de se replier, les protéines se replient toujours d'une manière qui minimise l'énergie potentielle. Moisissure visqueuse, un organisme sans cervelle, trouve toujours le chemin le plus efficace vers une source de nourriture, même face à un obstacle. Une corde à sauter, lorsqu'il est tenu aux deux extrémités, finit toujours dans la même forme, une courbe appelée caténaire.

Ce type d'optimisation s'explique par ce qu'on appelle un principe variationnel :toute autre déformation - ou variation - de la forme trouvée par la protéine, la moisissure ou la corde à sauter nécessiterait plus d'énergie.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), ont découvert que certains lasers utilisent le même principe. La recherche est décrite dans Lettres d'examen physique .

Les peignes de fréquence sont largement utilisés, des outils de haute précision pour mesurer et détecter différentes fréquences—a.k.a. couleurs - de lumière. Contrairement aux lasers conventionnels, qui émettent une seule fréquence, ces lasers émettent plusieurs fréquences en synchronisme, régulièrement espacés pour ressembler aux dents d'un peigne.

Lorsqu'un laser produit un peigne de fréquence, il émet des ondes lumineuses qui se répètent périodiquement dans le temps. En fonction des paramètres du peigne, ces ondes peuvent soit avoir une intensité constante tout en variant en couleur, ou ressemblent à de courtes impulsions de lumière qui s'accumulent et baissent en intensité.

Les chercheurs savent comment les peignes produisent des légumineuses, mais comment les lasers dits modulés en fréquence peuvent maintenir une intensité constante face à des fréquences changeantes a été un casse-tête de longue date.

L'équipe de chercheurs, dirigé par Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et le chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, ont pu reconstituer à une échelle de temps d'un trillionième de seconde la forme d'onde émise par des sources lumineuses appelées lasers à cascade quantique, largement utilisé en spectroscopie et en détection. Ils ont découvert que les lasers choisissent d'émettre des ondes lumineuses d'une manière qui non seulement supprime les fluctuations d'intensité - conduisant à une intensité constante dans le temps - mais maximise également la puissance de sortie.

"Nous avons découvert qu'un laser modulé en fréquence peut ajuster les paramètres par lui-même, semblable à un DJ tournant les boutons d'un synthétiseur de musique, minimiser les fluctuations de l'onde d'intensité émise, " a déclaré Marco Piccardo, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article. "Tourner tous ces boutons dans le bon sens n'est pas une tâche facile. En produisant une forme d'onde d'intensité presque plate, le laser modulé en fréquence a résolu un problème d'optimisation complexe, performant comme un ordinateur analogique."

"Cette découverte dévoile la physique d'une technologie prometteuse de peigne de fréquence, " a déclaré Capasso. " Bénéficiant d'une modulation d'intensité minimale à la sortie du laser, ces dispositifs pourraient rivaliser avec les lasers conventionnels à impulsions ultra-courtes verrouillées dans les applications de spectroscopie. »