Dans la nature, comme dans la vie de tous les jours, nous sommes entourés de résonance, le phénomène qui décrit comment chaque objet a une fréquence à laquelle il préfère vibrer. La note d'une corde de guitare et le son du carillon de Big Ben sont des exemples de résonance.

Les vibrations proches de la résonance provoquent de forts impacts. Les ponts s'effondrent si les soldats marchent à l'unisson; un enfant peut se « pousser » sur une balançoire en déplaçant ses jambes à la bonne vitesse, et deux horloges à pendule sur la même table se synchroniseront. Ces exemples montrent la sensibilité accrue donnée à un objet lorsqu'il reçoit de l'énergie à un point spécifique (c'est-à-dire, fréquence de résonance. Il n'est donc pas étonnant que les physiciens et les ingénieurs soient toujours à la recherche de moyens d'utiliser la résonance pour déclencher des effets utiles et des réponses fortes en appliquant la plus petite quantité d'énergie.

Maintenant, une équipe de physiciens de l'Université de Bath a trouvé un moyen d'utiliser la résonance pour exploiter plus efficacement l'énergie de la lumière à l'intérieur de structures appelées microrésonateurs. Pour la lumière, les microrésonateurs agissent comme des circuits miniatures, avec des photons passant en boucle autour du cercle. La lumière est constituée de photons de différentes couleurs, avec chaque couleur correspondant à des ondes oscillant à des longueurs d'onde et des fréquences spécifiques. Si les pics de ces ondes atteignent le même point après une boucle complète autour du résonateur, alors la capacité de stockage d'énergie du résonateur atteint un maximum lorsqu'elle est mesurée par rapport à la fréquence. En d'autres termes, le résonateur et la lumière à l'intérieur entrent en résonance.

La capacité d'un résonateur à stocker de l'énergie est caractérisée par la netteté de la résonance, aussi appelé finesse.

Les physiciens sont pris dans une course pour maximiser les finesses des résonateurs, de manière à stocker le plus d'énergie possible dans un seul résonateur. La raison n'est pas seulement de se vanter. Lorsqu'une énergie lumineuse élevée circule dans un résonateur, il commence à révéler des propriétés intéressantes. Par exemple, le résonateur commence à produire des photons de lumière avec de nouvelles fréquences et donc de couleurs différentes.

Un arc-en-ciel de couleurs nouvellement créé est connu sous le nom de peigne de fréquence. Les nombreuses propriétés utiles d'un peigne ont conduit les chercheurs à travailler sur «la technique du peigne à fréquence optique» qui ont remporté le prix Nobel de physique en 2005. Contrairement à un arc-en-ciel, celui créé dans un résonateur n'affiche pas un spectre continu de couleurs. Au lieu, il contient un motif de couleurs régulier et équidistant, semblable aux dents d'un peigne. La régularité de ces dents permet d'utiliser ces peignes pour des mesures ultra-précises, par exemple, des distances et du temps.

L'étude de l'Université de Bath a révélé que l'augmentation de la force des interactions entre la matière légère pour fabriquer des peignes de fréquence n'est pas la seule raison pour laquelle les microrésonateurs à haute finesse sont importants. Si la finesse est relativement faible, puis l'accord d'un laser autour de l'une des résonances amène une dent de peigne donnée à ajuster sa couleur en continu. Atteignant des finesses de plusieurs milliers et en dizaines de milliers, cependant, commence à rompre cette continuité.

Lorsque la continuité est rompue, un laser réglé pour générer une paire de photons avec deux couleurs spécifiques devra passer par «l'intervalle d'inactivité» avant que la couleur suivante ne s'allume. Pendant cet intervalle, il ne peut y avoir de conversion en de nouvelles couleurs.

Dans le langage de la théorie de la résonance, la création d'intervalle s'appelle les langues d'Arnold. Les langues d'Arnold sont un phénomène souvent rencontré dans les réseaux d'oscillateurs. Les neurones de notre cerveau fonctionnent selon les règles des langues d'Arnold pour synchroniser la transmission des signaux.

Les langues de microrésonateur rapportées dans l'étude de Bath représentent une carte des structures étroites en forme de langue qui montre comment les paramètres laser doivent être réglés pour générer ou non de nouvelles couleurs.

Le processus de génération de paires de photons est un phénomène clé qui sous-tend le développement de sources lumineuses accordables pour diverses applications, et en particulier pour le traitement et la transmission optique de données. La découverte du lien entre la génération de paires de photons et les langues d'Arnold devrait augmenter l'efficacité de ce processus. Il est possible d'augmenter encore les finesses en gelant les microrésonateurs à une température où les molécules dont ils sont constitués cessent de vibrer. Cela devrait déclencher de nouvelles façons de manipuler les photons, et l'équipe de Bath prévoit de les étudier ensuite.

Professeur Dmitry Skryabin du Centre de Bath pour la photonique et les matériaux photoniques, et chercheur principal de cette étude, mentionné, « Depuis le prix Nobel 2005, la technologie du peigne s'est rapidement réduite à la taille des puces informatiques. Cela signifie que les générateurs de peignes de fréquence miniaturisés peuvent avoir des myriades d'applications diverses dans, par exemple, la surveillance de la pollution, technologie radar, et la découverte de nouvelles planètes."