Tout comme un mètre avec des centaines de graduations peut être utilisé pour mesurer des distances avec une grande précision, un dispositif dit peigne de fréquence laser, avec ses centaines d'espaces régulièrement espacés, fréquences bien définies, peut être utilisé pour mesurer les couleurs des ondes lumineuses avec une grande précision.

Assez petit pour tenir sur une puce, des versions miniatures de ces peignes - ainsi nommées parce que leur ensemble de fréquences uniformément espacées ressemble aux dents d'un peigne - rendent possible une nouvelle génération d'horloges atomiques, une forte augmentation du nombre de signaux transitant par les fibres optiques, et la capacité de discerner de minuscules changements de fréquence dans la lumière des étoiles qui suggèrent la présence de planètes invisibles. La dernière version de ces "micropeignes" à puce, " créé par des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), est sur le point de faire progresser les mesures de temps et de fréquence en améliorant et en étendant les capacités de ces minuscules appareils.

Au cœur de ces micropeignes de fréquence se trouve un microrésonateur optique, un dispositif en forme d'anneau de la largeur d'un cheveu humain dans lequel la lumière d'un laser externe parcourt des milliers de fois jusqu'à ce qu'elle atteigne une intensité élevée. Micropeignes, souvent en verre ou en nitrure de silicium, nécessitent généralement un amplificateur pour la lumière laser externe, ce qui peut complexer le peigne, lourd et coûteux à produire.

Les scientifiques du NIST et leurs collaborateurs de l'UCSB ont démontré que les micropeignes créées à partir d'arséniure de gallium et d'aluminium semi-conducteur ont deux propriétés essentielles qui les rendent particulièrement prometteuses. Les nouveaux peignes fonctionnent à une puissance si faible qu'ils n'ont pas besoin d'amplificateur, et ils peuvent être manipulés pour produire un ensemble de fréquences extraordinairement stable, exactement ce qui est nécessaire pour utiliser le peigne de la micropuce comme un outil sensible pour mesurer les fréquences avec une précision extraordinaire. (La recherche fait partie du programme NIST on a Chip.)

La technologie de micropeigne nouvellement développée peut aider les ingénieurs et les scientifiques à effectuer des mesures de fréquence optique de précision en dehors du laboratoire, a déclaré Gregory Moille, scientifique du NIST. En outre, le micropeigne peut être produit en série grâce à des techniques de nanofabrication similaires à celles déjà utilisées pour fabriquer de la microélectronique.

Les chercheurs de l'UCSB ont mené des efforts antérieurs dans l'examen des microrésonateurs composés d'arséniure de gallium et d'aluminium. Les peignes de fréquence fabriqués à partir de ces microrésonateurs ne nécessitent qu'un centième de la puissance des dispositifs fabriqués à partir d'autres matériaux. Cependant, les scientifiques avaient été incapables de démontrer une propriété clé - qu'un ensemble discret de ou très stable, des fréquences pourraient être générées à partir d'un microrésonateur constitué de ce semi-conducteur.

L'équipe du NIST a résolu le problème en plaçant le microrésonateur dans un appareil cryogénique personnalisé qui a permis aux chercheurs de sonder l'appareil à des températures aussi basses que 4 degrés au-dessus du zéro absolu. L'expérience à basse température a révélé que l'interaction entre la chaleur générée par la lumière laser et la lumière circulant dans le microrésonateur était le seul et unique obstacle empêchant l'appareil de générer les fréquences très stables nécessaires à un fonctionnement réussi.

A basse température, l'équipe a démontré qu'il pouvait atteindre le régime dit des solitons, où des impulsions lumineuses individuelles qui ne changent jamais de forme, fréquence ou vitesse circulent dans le microrésonateur. Les chercheurs décrivent leur travail dans le numéro de juin de Avis sur le laser et la photonique .

Avec de tels solitons, toutes les dents du peigne de fréquence sont en phase les unes avec les autres, afin qu'ils puissent servir de règle pour mesurer les fréquences employées dans les horloges optiques, synthèse de fréquence, ou des mesures de distance au laser.

Bien que certains systèmes cryogéniques récemment développés soient suffisamment petits pour pouvoir être utilisés avec le nouveau micropeigne à l'extérieur du laboratoire, le but ultime est de faire fonctionner l'appareil à température ambiante. Les nouvelles découvertes montrent que les scientifiques devront soit éteindre, soit éviter complètement un excès de chauffage pour atteindre un fonctionnement à température ambiante.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.