Cũng giống như một thước đo bình thường với hàng trăm vạch chia có thể sử dụng để đo khoảng cách với độ chính xác cao, một thiết bị được gọi là “lược tần số laser”, với hàng trăm tần số cách đều nhau có thể được sử dụng để đo màu sắc của sóng ánh sáng với độ chính xác cao. Chúng được đặt tên như vậy vì chứa tập hợp các tần số cách đều nhau giống như các răng của chiếc lược.

Minh họa các vạch tần số trong microcomb

Đủ nhỏ để gắn lên chip, phiên bản siêu nhỏ của thiết bị này còn gọi là microcomb đang tạo ra một thế hệ đồng hồ nguyên tử mới, tăng số lượng tín hiệu truyền qua các sợi quang và tăng khả năng phân biệt các tần số rất nhỏ. Phiên bản mới nhất của các chip dựa trên microcomb được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) và Đại học California tại Santa Barbara (UCSB) cho phép cải thiện các phép đo thời gian và đo tần số bằng cách cải tiến và mở rộng khả năng của các thiết bị nhỏ bé này.

Minh họa chip microcomb hoạt động dựa trên tia laser

Trái tim của các microcomb này là một hộp cộng hưởng quang học siêu nhỏ, một thiết bị hình vòng có chiều rộng bằng một sợi tóc người, trong đó ánh sáng từ một tia laser bên ngoài truyền xung quanh hàng ngàn lần cho đến khi nó tạo ra cường độ cao. Microcomb thường được làm bằng thủy tinh hoặc silicon nitride và chúng thường yêu cầu bộ khuếch đại cho ánh sáng laser bên ngoài, điều này làm cho thiết bị trở nên phức tạp, cồng kềnh và tốn kém để sản xuất.

 Gần đây, một thiết kế mới đầy hứa hẹn cho microcomb đã được công bố. Các nhà khoa học của NIST và các cộng tác viên bên phía UCSB đã chứng minh rằng microcomb được tạo ra từ nhôm gallium arsenide bán dẫn có hai tính chất quan trọng giúp chúng trở nên rất hứa hẹn: hoạt động ở công suất thấp đến mức không cần bộ khuếch đại và có thể điều chỉnh để tạo ra một bộ tần số cực kỳ ổn định, đó chính xác là những gì cần thiết để sử dụng chip microcomb làm công cụ cực nhạy để đo tần số với độ chính xác phi thường. 

 Công nghệ microcomb mới được phát triển có thể giúp các kỹ sư và nhà khoa học thực hiện các phép đo tần số quang chính xác bên ngoài phòng thí nghiệm, nhà khoa học NIST, ông Greg Moille cho biết. Ngoài ra, microcomb có thể được sản xuất hàng loạt thông qua các kỹ thuật chế tạo nano tương tự như các kỹ thuật đã được sử dụng để sản xuất vi điện tử.

Các nhà nghiên cứu tại UCSB dẫn đầu những nỗ lực trước đó trong việc kiểm tra các hộp cộng hưởng siêu nhỏ làm từ nhôm gallium arsenide. Các microcomb được tạo nên từ các hộp cộng hưởng này chỉ tiêu tốn một phần trăm năng lượng của các thiết bị được chế tạo từ các vật liệu khác. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã không thể chứng minh được một tính chất quan trọng, rằng một tập hợp các tần số ổn định có thể thu được từ hộp cộng hưởng siêu nhỏ làm từ chất bán dẫn này.

Nhóm NIST đã giải quyết vấn đề bằng cách đặt hộp cộng hưởng siêu nhỏ trong một thiết bị đông lạnh tùy chỉnh cho phép các nhà nghiên cứu thăm dò thiết bị ở nhiệt độ chỉ cao hơn 4 độ so với độ không tuyệt đối. Thí nghiệm ở nhiệt độ thấp cho thấy sự tương tác giữa nhiệt lượng được tạo ra bởi ánh sáng laser và ánh sáng lưu thông trong hộp cộng hưởng siêu nhỏ là trở ngại duy nhất ngăn cản thiết bị tạo ra tần số ổn định cao.

 Ở nhiệt độ thấp, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng có thể đạt đến cái gọi là chế độ soliton - nơi các xung ánh sáng riêng lẻ không bao giờ thay đổi hình dạng, tần số hoặc tốc độ lưu thông trong hộp cộng hưởng. Các nghiên cứu này được đăng trên số ra Tháng 6 của tạp chí uy tín mang tên Laser and Photonics Reviews.

 Với các soliton như vậy, tất cả các vạch tần số cùng pha với nhau, do đó chúng có thể được sử dụng như một thước đo để đo tần số sử dụng trong đồng hồ quang, để tổng hợp tần số hoặc đo khoảng cách dựa trên tia laser.

 Mặc dù một số hệ thống làm lạnh được phát triển gần đây đủ nhỏ để chúng có thể được sử dụng với microcomb bên ngoài phòng thí nghiệm, mục tiêu cuối cùng là vận hành thiết bị ở nhiệt độ phòng. Những phát hiện mới cho thấy các nhà khoa học sẽ phải làm dịu hoặc tránh hoàn toàn sự sinh nhiệt dư thừa để các thiết bị này có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng.

(Sưu tầm)
VIỆN IMC
Tòa nhà IMC Tower, Số 176 Trường Chinh, Phường Khương
Thượng, Quận Đống Đa, Thành phố Hà Nội, Việt Nam
Tel/Fax : (+84) 24 3566 6232 / 24 3566 6234
Email: contact@imc.org.vn   Website: http://imc.org.vn