Aujourd'hui, des scientifiques de l'Institut national des normes et technologies (NIST) et leurs collaborateurs ont développé une nouvelle façon de créer les peignes qui promet d'améliorer leur précision déjà exquise et de leur permettre de mesurer la lumière sur une gamme de fréquences auparavant inaccessibles. La portée étendue permettra aux peignes de fréquence de sonder les cellules et autres matériels biologiques.

Les chercheurs décrivent leurs travaux dans Nature Photonics . L'équipe comprend François Leo et ses collègues de l'Université Libre de Bruxelles, Belgique, Julien Fatome de l'Université de Bourgogne à Dijon, France, et des scientifiques du Joint Quantum Institute, un partenariat de recherche entre le NIST et l'Université du Maryland.

Les nouveaux dispositifs, fabriqués sur une petite puce de verre, fonctionnent d'une manière fondamentalement différente des précédents peignes de fréquence basés sur une puce, également connus sous le nom de micropeignes.

Un peigne de fréquence agit comme une règle pour la lumière. Tout comme les graduations uniformément espacées sur une règle ordinaire mesurent la longueur des objets, les pointes de fréquence uniformément espacées sur un micropeigne mesurent les oscillations, ou fréquences, des ondes lumineuses.

Les chercheurs utilisent généralement trois éléments pour construire un micropeigne :un seul laser, connu sous le nom de laser à pompe; un petit résonateur en forme d'anneau, l'élément le plus important; et un guide d'ondes miniature qui transporte la lumière entre les deux. La lumière laser injectée dans le guide d’ondes pénètre dans le résonateur et parcourt l’anneau. En ajustant soigneusement la fréquence du laser, la lumière à l'intérieur de l'anneau peut devenir un soliton :une impulsion d'onde solitaire qui préserve sa forme lorsqu'elle se déplace.

Chaque fois que le soliton effectue un aller-retour autour de l'anneau, une partie de l'impulsion se sépare et pénètre dans le guide d'ondes. Bientôt, un train entier d'impulsions étroites, qui ressemblent à des pointes, remplit le guide d'ondes, chaque pointe étant séparée dans le temps par le même intervalle fixe, le temps qu'il a fallu au soliton pour effectuer un tour. Les pointes correspondent à un seul ensemble de fréquences régulièrement espacées et forment les graduations, ou « dents », du peigne de fréquences.

Cette méthode de génération d'un micropeigne, bien qu'efficace, ne peut produire que des peignes avec une gamme de fréquences centrée sur la fréquence du laser de pompe. Pour surmonter cette limitation, les chercheurs du NIST Grégory Moille et Kartik Srinivasan, en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs dirigée par Miro Erkintalo de l'Université d'Auckland en Nouvelle-Zélande et du Dodd-Walls Center for Photonic and Quantum Technologies, ont prédit théoriquement puis démontré expérimentalement un nouveau procédé de production d'un micropeigne soliton.

Au lieu d’utiliser un seul laser, la nouvelle méthode utilise deux lasers à pompe, chacun émettant de la lumière à une fréquence différente. L'interaction complexe entre les deux fréquences produit un soliton dont la fréquence centrale se situe exactement entre les deux couleurs laser.

La méthode permet aux scientifiques de générer des peignes dotés de nouvelles propriétés dans une gamme de fréquences qui n’est plus limitée par les lasers à pompe. En générant des peignes couvrant un ensemble de fréquences différent de celui du laser à pompe injecté, les appareils pourraient, par exemple, permettre aux scientifiques d'étudier la composition de composés biologiques.

Au-delà de cet avantage pratique, la physique qui sous-tend ce nouveau type de micropeigne, appelé micropeigne paramétrique, pourrait conduire à d’autres avancées importantes. Un exemple est une amélioration potentielle du bruit associé aux dents individuelles du micropeigne.

Dans un peigne généré par un seul laser, le laser pompe sculpte directement uniquement la dent centrale. En conséquence, les dents deviennent plus larges à mesure qu’elles s’éloignent du centre du peigne. Ce n'est pas souhaitable, car les dents plus larges ne peuvent pas mesurer les fréquences avec autant de précision que les dents plus étroites.

Dans le nouveau système de peigne, les deux lasers à pompe façonnent chaque dent. Selon la théorie, cela devrait produire une série de dents toutes également étroites, améliorant ainsi la précision des mesures. Les chercheurs testent actuellement si cette prédiction théorique est vraie pour les micropeignes qu'ils ont fabriqués.

Le système à deux lasers offre un autre avantage potentiel :il produit des solitons qui se déclinent en deux variétés, qui peuvent être assimilées à un signe positif ou négatif. Le fait qu'un soliton particulier soit négatif ou positif est purement aléatoire car cela découle des propriétés quantiques de l'interaction entre les deux lasers.

Cela pourrait permettre aux solitons de former un générateur de nombres aléatoires parfait, qui joue un rôle clé dans la création de codes cryptographiques sécurisés et dans la résolution de certains problèmes statistiques et quantiques qui seraient autrement impossibles à résoudre avec un ordinateur ordinaire non quantique.