Para abrir nuevos caminos con las suelas de frecuencia, la innovación juega con el ritmo

La innovación, creada por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), representa una nueva forma de utilizar la tecnología de peine de frecuencia, que los científicos llamaron «peine de frecuencia programable del tiempo». Hasta ahora, los láseres de peine de frecuencia necesitaban crear pulsos de luz con regularidad metronómica para lograr sus efectos, pero el equipo del NIST demostró que manipular la sincronización de los pulsos puede ayudar al peine de frecuencia a realizar mediciones precisas en un conjunto de condiciones más amplio de lo que era posible. .

«Básicamente, rompimos esta regla general que les exige utilizar un espaciado de pulso fijo para una operación de precisión», dijo Laura Sinclair, física del campus de Boulder del NIST y una de las autoras del artículo. «Al cambiar la forma en que controlamos los peines de frecuencia, nos deshacemos de los compromisos que teníamos que hacer, por lo que ahora podemos obtener resultados de alta precisión incluso si nuestro sistema solo tiene un poco de luz para trabajar».

El trabajo del equipo se describe en la revista. Naturaleza.

A menudo descrito como una regla para la luz, un peine de frecuencias es un tipo de láser cuya luz consta de muchas frecuencias bien definidas que se pueden medir con precisión. Al observar el espectro láser en una pantalla, cada frecuencia se destaca como un solo diente de un peine, lo que da el nombre de la tecnología. Después de que Jan Hall del NIST ganara parte del Premio Nobel de Física de 2005, los peines de frecuencia han encontrado uso en una serie de aplicaciones que van desde el cronometraje de precisión hasta la búsqueda de planetas similares a la Tierra y el descubrimiento de gases de efecto invernadero.

A pesar de sus numerosos usos actuales, los peines de frecuencia tienen limitaciones. El artículo del equipo es un intento de abordar algunas de las limitaciones que surgen cuando se utilizan peines de frecuencia para realizar mediciones precisas fuera del laboratorio en situaciones más desafiantes, donde las señales pueden ser muy débiles.

Poco después de su invención, los peines de frecuencia permitieron mediciones de distancias muy precisas. En parte, esta precisión se debe a la amplia gama de frecuencias de luz que utilizan los peines. El radar, que utiliza ondas de radio para determinar la distancia, tiene una precisión de desde centímetros hasta muchos metros, dependiendo del ancho del pulso de la señal. Los pulsos ópticos de un peine de frecuencia son mucho más cortos que los de radio, lo que potencialmente permite mediciones precisas de hasta nanómetros (nm), o milmillonésimas de metro, incluso cuando el detector está a muchos kilómetros del objetivo. El uso de técnicas de peine de frecuencias puede eventualmente permitir el vuelo de una formación precisa de satélites para la detección coordinada de la Tierra o el espacio, la mejora del GPS y el apoyo a otras aplicaciones de navegación y temporización ultraprecisas.

La medición de distancias utilizando peines de frecuencia requiere dos peines cuya sincronización del pulso láser esté bien coordinada. Los impulsos de un láser de peine son enviados a un objeto distante, ya que el radar utiliza ondas de radio, y el segundo peine, ligeramente desplazado en el período de repetición, mide su tiempo de retorno con gran precisión.

La limitación que conlleva esta gran precisión está relacionada con la cantidad de luz que necesita recibir el detector. Por la naturaleza de su diseño, el detector sólo puede registrar fotones del láser variable que llegan al mismo tiempo que los pulsos del segundo láser de peine. Hasta ahora, debido al pequeño desplazamiento en el período de repetición, había un período relativamente largo de «tiempo muerto» entre estas coincidencias de pulsos, y cualquier foton que llegara entre las coincidencias era información perdida, inútil para el esfuerzo de medición. Esto hizo que algunos objetivos fueran difíciles de ver.

En este caso, los físicos tienen un término para sus aspiraciones: quieren realizar mediciones en el «límite cuántico», lo que significa que pueden tener en cuenta cada fotón disponible que contenga información útil. Más fotones detectados significa una mayor capacidad para detectar cambios rápidos en la distancia a un objetivo, un objetivo en otras aplicaciones de peine de frecuencia. Pero a pesar de todos sus logros hasta la fecha, la tecnología de peine de frecuencias ha operado lejos de ese límite cuántico.

«Las sondas de frecuencia se utilizan comúnmente para medir cantidades físicas como la distancia y el tiempo con extrema precisión, pero la mayoría de las técnicas de medición desperdician la gran mayoría de la luz, el 99,99 % o más», dijo Sinclair. «En cambio, hemos demostrado que al utilizar este método de control diferente, es posible deshacerse de ese desperdicio. Esto puede significar un aumento en la velocidad de medición, en la precisión, o permitirle utilizar un sistema mucho más pequeño».

La innovación del equipo implica la capacidad de controlar la sincronización de los pulsos del segundo peine. Los avances en la tecnología digital permiten que el segundo peine se «fije» a las señales de retorno, eliminando el tiempo muerto creado por el método de muestreo anterior. Esto sucede a pesar de que el controlador tiene que encontrar una «aguja en un pajar»: los impulsos son comparativamente cortos y duran sólo un 0,01% del tiempo muerto entre ellos. Después de una adquisición inicial, si el objetivo se mueve, el controlador digital puede ajustar la salida de sincronización para que los pulsos del segundo peine se aceleren o desaceleren. Esto permite que los pulsos se realineen, de modo que los pulsos del segundo peine siempre coincidan con los que regresan del objetivo. Esta salida de tiempo ajustada es exactamente el doble de la distancia al objetivo y se devuelve con la característica de precisión de un punto de los contenedores de frecuencia.

El resultado de este peine de frecuencia programable en el tiempo, como lo llama el equipo, es un método de detección que aprovecha al máximo los fotones disponibles y elimina el tiempo muerto.

«Descubrimos que podemos medir el alcance de un objetivo rápidamente, incluso si sólo recibimos una señal débil», dijo Sinclair. «Dado que se detecta cada fotón que regresa, podemos medir con precisión la distancia cercana al límite cuántico estándar».

En comparación con la matriz de doble peine estándar, el equipo observó una reducción de 37 decibeles en la energía recibida requerida; en otras palabras, solo requiere alrededor del 0,02% de los fotones necesarios anteriormente.

La innovación puede incluso permitir futuras mediciones a nivel nanométrico de satélites distantes, y el equipo está explorando cómo su peine de frecuencia programable en el tiempo podría beneficiar otras aplicaciones de detección de peine de frecuencia.

Fuente de la historia: Comunicado de prensa original de www.nist.gov. Nota: Scible News puede editar el contenido en cuanto a estilo y extensión.

Referencias

Emily D. Caldwell, Laura C. Sinclair, Nathan R. Newbury, Jean-Daniel Deschenes. El peine de frecuencia programable en el tiempo y su uso en una matriz cuántica limitada. Naturaleza, 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-05225-8