- El nuevo chip de peine de frecuencia óptica puede realizar múltiples tareas de medición, impulsando relojes atómicos portátiles y sistemas de navegación.
- El método SParCS combina dos láseres de distinta frecuencia, resolviendo el problema de estabilidad del peine de frecuencia.
- El chip ofrece una estabilidad y un rendimiento de ruido comparables a los de los grandes sistemas de sobremesa, con un amplio potencial de aplicación.
- El equipo de investigación planea ampliar el rango de frecuencias y explorar la posibilidad de operar con un solo láser.
Los investigadores han presentado un peine de frecuencia óptica basado en chip que, en pruebas clave, se equipara a los grandes sistemas de sobremesa, permitiendo que un único dispositivo realice múltiples tareas de medición, lo que constituye un paso importante hacia relojes atómicos portátiles y sistemas de navegación sin GPS. El dispositivo emplea un nuevo método denominado solitones de cavidad impulsados por parámetros autoalineados (SParCS). El peine de frecuencia óptica genera una serie de frecuencias ópticas espaciadas con precisión, formando una regla que los científicos utilizan para medir frecuencias ópticas y vincularlas a señales electrónicas. Investigadores del Joint Quantum Institute (JQI), el National Institute of Standards and Technology (NIST) y socios internacionales probaron el chip conectando una señal de microondas (que oscila miles de millones de veces por segundo) con una fuente óptica que opera a cientos de billones de ciclos por segundo.
En una prueba de reloj atómico, el chip convirtió una referencia óptica extremadamente estable en una señal de microondas legible por equipos electrónicos convencionales. La frecuencia óptica bruta medida, que oscila a cientos de billones de ciclos por segundo, se desviaba unos 100,000 ciclos por segundo del valor atómico esperado.
Innovación del método SParCS
Los peines de frecuencia a nivel de chip tradicionales suelen inyectar un láser en una microcavidad anular. El peine resultante se extiende hacia frecuencias a ambos lados, pero los “dientes” periféricos pueden volverse más débiles y poco definidos, requiriendo equipos adicionales para amplificarlos y estabilizarlos. SParCS, en cambio, emplea dos láseres de distinta frecuencia como bordes o “topes” del peine; entre ellos se generan las demás frecuencias. Los investigadores combinaron esta estrategia con una técnica de sincronización que alinea las líneas de frecuencia en un peine usable. Esto resolvió el problema que surgió cuando el equipo demostró por primera vez los solitones de cavidad impulsados por parámetros en 2024.
Aquel experimento produjo múltiples conjuntos de líneas de frecuencia superpuestas, lo que dificultaba el uso del dispositivo en mediciones reales. El diseño de dos láseres permitió además crear un peine que abarca una octava, es decir, su frecuencia más alta es aproximadamente el doble de la más baja. Este rango es fundamental para determinar el desplazamiento de frecuencia cero del peine, una calibración necesaria para mediciones de frecuencia precisas.
Comparación del rendimiento del chip
Los investigadores compararon directamente el chip con un peine de frecuencia de sobremesa convencional, utilizando las mismas fuentes de microondas y ópticas. En su rango de prueba, las frecuencias generadas por el chip mostraron una estabilidad y un rendimiento de ruido prácticamente equivalentes a los del sistema grande. El equipo también realizó la conversión inversa, transformando la estabilidad de la fuente óptica en una señal de microondas. Gracias a una referencia láser de bajo ruido, el chip produjo microondas de bajo ruido, capacidad que también podría beneficiar a radares y otros sistemas de medición de precisión. Es importante destacar que en las distintas demostraciones se empleó el mismo chip, cambiando únicamente la fuente óptica conectada, en lugar de fabricar un micropeine específico para cada aplicación.
El científico del JQI Grégory Moille declaró: «Como experimentalistas, este nuevo peine de frecuencia óptica simplifica gran parte de nuestro trabajo; el sistema permite que un solo operador gestione cada aplicación.»
Los investigadores señalan que anteriormente los experimentos con peines de frecuencia basados en chip podían requerir a varias personas semanas o meses para obtener resultados prácticos. Su laboratorio ha trasladado ahora la mayoría de los experimentos con micropeines a SParCS, y en el último año ha estabilizado más de 10 veces la cantidad de micropeines que en todos los años anteriores combinados. El equipo sigue planeando ampliar el rango de frecuencias e investigar si este método podrá funcionar finalmente con un solo láser. El estudio se ha publicado en la revista Nature.
Impacto del nuevo chip en la medición de frecuencia
La aparición del nuevo chip de peine de frecuencia óptica marca un avance significativo en la tecnología de medición de frecuencia. Gracias al método SParCS, los investigadores han logrado mejorar la estabilidad y la precisión del peine, lo que hace más viable la realización de relojes atómicos portátiles y sistemas de navegación. Esta tecnología no solo simplifica el proceso experimental, sino que también aumenta notablemente la eficiencia de los experimentos, y posee un valor potencial para futuros sistemas de medición de precisión, como el radar. A medida que la investigación profundice, si se logra la operación con un solo láser, se impulsará aún más la difusión y aplicación de esta tecnología.