Los investigadores de UC Santa Barbara han desarrollado un láser compacto y de bajo costo que rivaliza con el rendimiento de los sistemas a escala de laboratorio. Utiliza átomos de rubidio y técnicas avanzadas de integración de chips para permitir aplicaciones como computación cuántica, cronometraje y detección ambiental, incluido el mapeo de gravedad basado en satélite.
Los láseres son indispensables para experimentos que requieren medición y control atómico ultra precisos, como relojes atómicos de dos fotones, sensores de interferómetro de átomo frío y puertas cuánticas. La clave de la efectividad de los láseres es su pureza espectral, que es la emisión de la luz de un solo color o frecuencia. Hoy, lograr la luz estable y el ruido ultra bajo requerido para estas aplicaciones se basa en sistemas láser de benchtop voluminosos y costosos diseñados para generar y administrar fotones dentro de un rango espectral estrecho.
Pero, ¿qué pasaría si estas aplicaciones atómicas pudieran escapar de los límites del laboratorio y el benchtop? Esta es la investigación de la visión en el laboratorio de Daniel Blumenthal, profesor de ingeniería en UC Santa Bárbara, donde su equipo está trabajando para replicar el rendimiento de estos láseres de alta precisión en dispositivos de mano ligeros.
"Estos láseres pequeños permitirán soluciones láser escalables para sistemas cuánticos prácticos, así como láseres para sensores cuánticos portátiles, desplegados en el campo y basados en el espacio", dijo Andrei Isichenko, investigador graduado en el laboratorio de Blumenthal. "Esto tendrá implicaciones para áreas tecnológicas como la computación cuántica utilizando átomos neutros e iones atrapados, así como sensores cuánticos de átomo frío, como relojes atómicos y gravímetros".
En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, Blumenthal, Isichenko y su equipo describen el desarrollo de un láser nanométrico de autoinyección ultra bajo a escala de chips en esta dirección. Los investigadores dicen que el dispositivo, que es aproximadamente del tamaño de una caja de fósforos, puede superar a los láseres de NM de línea estrecha actual 780- a una fracción del costo y el espacio de fabricación.
Los átomos de rubidio se eligieron para el láser porque tienen propiedades bien conocidas que los hacen ideales para una variedad de aplicaciones de alta precisión. La estabilidad de su transición óptica D2 los hace ideales para relojes atómicos; La sensibilidad de los átomos también los convierte en una opción popular para los sensores y la física del átomo en frío. Al pasar el láser a través de un vapor de átomos de rubidio que sirven como referencia atómica, el láser de infrarrojo cercano adquiere las propiedades de una transición atómica estable.
"Utiliza la línea de transición atómica para atrapar el láser", dice Blumenthal, autor principal del periódico. "En otras palabras, al bloquear el láser en la línea de transición atómica, el láser más o menos adquiere las propiedades de esa transición atómica en términos de estabilidad".
Pero la luz roja elegante no es un láser de precisión. Para obtener la calidad ideal de la luz láser, se debe eliminar el "ruido". Blumenthal lo describe como un horquilla versus una cuerda de guitarra. "Si golpeas una C con un toque, podría ser una C muy perfecta", explica. "Pero si golpeas una C en una guitarra, puedes escuchar otros tonos en ella". Del mismo modo, la luz láser puede contener diferentes frecuencias (colores), creando "tonos" adicionales. Para producir la frecuencia única requerida (en este caso, luz roja profunda pura), el sistema utiliza componentes adicionales para suavizar aún más la luz láser. El desafío para los investigadores fue empacar toda esta funcionalidad y rendimiento en un solo chip.
"El equipo utilizó una combinación de diodos láser de Fabry-Perot disponibles comercialmente, las guías de onda de pérdida más baja del mundo (hechas por el laboratorio de Blumenthal) y los resonadores de factores de mayor calidad, todos fabricados en una plataforma de nitruro de silicio. Al hacerlo, estaban. Capaz de replicar el rendimiento de los voluminosos sistemas de benchtop -- de acuerdo con sus pruebas, su dispositivo superó a algunos láseres de benchtop, así como láseres integrados previamente informados, mediante cuatro órdenes de magnitud en métricas clave como el ruido de frecuencia y el ancho de línea.
"La importancia de los valores de bajo ancho de línea es que podemos lograr láseres compactos sin sacrificar el rendimiento del láser", explicó Isichenko. "De alguna manera, el rendimiento se mejora en comparación con los láseres convencionales debido a la integración completa a escala de chips que se ha logrado. Estos anchos de línea nos ayudan a interactuar mejor con el sistema atómico, eliminando la contribución del ruido del láser y, por lo tanto, resolviendo completamente las señales atómicas en respuesta al entorno que sienten, etc. "
Los bajos anchos de línea, para este proyecto, son los anchos de línea fundamentales y sub-kilohertz de sub-hertz récord, que demuestran la estabilidad y la capacidad de la tecnología láser para superar el ruido de fuentes externas e internas.
Otras ventajas de la tecnología incluyen Costo-It utiliza diodos de $ 50 y se fabrica utilizando un proceso de fabricación rentable y escalable que se construye utilizando procesos a escala de obleas compatibles con CMOS, que se prestan del mundo de la fabricación electrónica de chips. El éxito de esta tecnología significa que estos láseres integrados fotónicos de alto rendimiento, de alta precisión y bajo costo podrían implementarse en una variedad de entornos dentro y fuera del laboratorio, incluidos experimentos cuánticos, la sincronización atómica y la detección de las señales más débiles, tales como cambios en la aceleración gravitacional alrededor de la tierra.
"Podrías poner estos instrumentos en satélites y mapear la gravedad en la tierra y alrededor de la tierra con cierta precisión", dijo Blumenthal. "Podía sentir el campo gravitacional alrededor de la tierra para medir el aumento del nivel del mar, los cambios en el hielo marino y los terremotos". Agregó: "Esta tecnología es compacta, de baja potencia y liviana, lo que lo hace ideal para la implementación en el espacio".
