Legare i nodi all'interno dei laser

L'architettura sperimentale impiegata in questo lavoro fornisce un modello per studiare con il laser la topologia in altre sorgenti fotoniche mode-locked, inclusi solitoni di cavità dissipative e oscillatori parametrici ottici pompati in modo sincrono

I laser con modalità bloccata svolgono un ruolo cruciale nella scienza e nella tecnologia moderne. Sono essenziali per lo studio dell'ottica ultraveloce e non lineare e hanno applicazioni in metrologia, telecomunicazioni e imaging. Recentemente, c'è stato interesse nello studio dei fenomeni topologici nei laser mode-locked. Da un punto di vista fondamentale, tale studio promette di rivelare la fisica topologica non lineare e da un punto di vista pratico potrebbe portare allo sviluppo di sorgenti a impulsi brevi topologicamente protette. Nonostante queste prospettive promettenti, l’interazione tra i reticoli fotonici topologici e il mode-locking del laser non è stata studiata sperimentalmente.

Cosa immagini nella tua mente quando senti la parola “laser”? Una spada laser? Un giocattolo per gatti? Il sensore del supermercato che legge i codici a barre alla velocità di un battito di ciglia?

Questi sono tutti laser, ma ce ne sono molti altri in così tante dimensioni e colori con capacità che devono ancora essere sfruttate o addirittura immaginate. Il professore assistente di ingegneria elettrica e fisica applicata Alireza Marandi (1) si occupa di ideare questi laser e crearli in laboratorio.

L'ultima indagine, descritta in un articolo pubblicato su Nature Physics (2) del dottor Marandi riguarda i laser con modalità bloccata, che emettono luce in impulsi costanti anziché in un singolo raggio continuo. Questi impulsi possono essere estremamente brevi, contati in picosecondi (trilionesimi di secondo) o femtosecondi (quadrilionesimi di secondo) e possono trasportare potenze ultraelevate in tempi così brevi. Gli impulsi dei laser con modalità bloccata sono stati utilizzati in molte applicazioni, ad esempio per la chirurgia oculare, fornendo una potenza di taglio mirata senza creare il calore eccessivo che causerebbe un raggio laser continuo.

Il blocco della modalità implica l'arresto delle ampiezze e delle fasi delle onde luminose che attraversano la cavità risonante di un laser. Quando si ottiene il mode-locking, queste onde risonanti agiscono di concerto tra loro e tipicamente formano uno schema costantemente pulsante. Il team di Marandi sta aggiungendo robustezza topologica a un laser con modalità bloccata introducendo accoppiamenti specifici tra gli impulsi luminosi risonanti nella cavità laser.

Il conseguente blocco modale temporale topologico crea modelli di impulsi laser in grado di tollerare imperfezioni e disturbi derivanti dalla produzione o da fonti di rumore ambientale.

«Questa ricerca fondamentale potrebbe potenzialmente avere molte applicazioni», afferma il professor Marandi. «Realizzando comportamenti topologici nei laser con modalità bloccata, stiamo essenzialmente creando un nodo che può rendere il comportamento del laser più robusto contro il rumore. Se il laser è normalmente bloccato in modalità e lo si scuote, tutto impazzisce. Ma se il laser pulsa sono annodati insieme, puoi scuotere il sistema e non succederà nulla di caotico, almeno per un certo range di scosse».

I laser con modalità bloccata topologicamente protetti possono consentire la creazione di pettini di frequenza migliori, che vengono utilizzati nelle applicazioni di comunicazione, rilevamento e informatica. «L'uscita di un laser con modalità bloccata nel dominio della frequenza è un pettine di frequenza, ovvero molti picchi spettrali stretti equidistanti», spiega Marandi. «I pettini di frequenza sono generalmente soggetti a fonti di rumore e instabilità ambientali. Utilizzando i comportamenti topologici in un laser a modalità bloccata, il pettine di frequenza risultante può essere protetto da alcune di queste fonti di rumore».

In futuro, il dottor Marandi spera di utilizzare la ricca fisica di questo nuovo tipo di laser per accedere a regimi di fisica topologica non lineare che non sono accessibili con altre piattaforme sperimentali, nonché di sviluppare tipi avanzati di sensori e hardware di calcolo.

I coautori dell'articolo pubblicato su Nature Physics sono: Christian R. Leefmans, Midya Parto, James Williams, and Gordon H.Y. Li, tutti del Caltech; Avik Dutt della Stanford University e dell'University of Maryland; e Franco Nori dell'University of Michigan e del RIKEN Center for Quantum Computing in Giappone. Le fonti di finanziamento includono la National Science Foundation, l'Air Force Office of Scientific Research, l'Army Research Office, il Japan Society for the Promotion of Science, l'Asian Office of Aerospace Research and Development, il Foundational Questions Institute, e NTT Research.

Riferimenti:

(1) Alireza Marandi

(2) Topological temporally mode-locked laser

Descrizione foto: Nodo in fibra ottica Crop. - Credit: Marandi Alireza / Caltech - California Institute of Technology.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tying Knots Inside Lasers