Un dispositivo laser compatto e a basso costo che corrisponde alle prestazioni dei sistemi su scala di laboratorio. Utilizzando atomi di rubidio e l’integrazione avanzata di chip, consente applicazioni come l’informatica quantistica, il cronometraggio e il rilevamento ambientale, inclusa la mappatura gravitazionale basata su satellite
Per gli esperimenti che richiedono misurazioni ultraprecise e controllo sugli atomi (si pensi agli orologi atomici a due fotoni, ai sensori interferometrici con atomi freddi e alle porte quantistiche) i laser sono la tecnologia preferita, quella più pura dal punto di vista spettrale (emette un singolo colore/frequenza). La tecnologia laser convenzionale su scala di laboratorio attualmente ottiene questa luce stabile e a rumore estremamente basso tramite sistemi da tavolo ingombranti e costosi progettati per generare, sfruttare ed emettere fotoni all’interno di un intervallo spettrale ristretto.
Ma cosa accadrebbe se queste applicazioni atomiche potessero essere rimosse dai loro attuali confini nei laboratori e sui banchi di lavoro? Questo progresso è al centro del lavoro svolto nel laboratorio del professore di ingegneria Daniel Blumenthal della UC Santa Barbara, dove il suo team cerca di ricreare le prestazioni di questi laser su dispositivi leggeri che possano stare nel palmo di una mano.
«Questi laser più piccoli consentiranno soluzioni laser scalabili per sistemi quantistici reali, nonché laser per sensori quantistici portatili, schierabili sul campo e basati nello spazio», ha affermato Andrei Isichenko (1), uno studente ricercatore laureato nel laboratorio del dottor Daniel Blumenthal (2). «Ciò avrà un impatto sugli spazi tecnologici come l’informatica quantistica con atomi neutri e ioni intrappolati e anche sui sensori quantistici ad atomi freddi come gli orologi atomici e i gravimetri».
In un articolo pubblicato sulla rivista Scientific Reports (2), il dottor Isichenko e il team presentano uno sviluppo in questa direzione con un laser bloccato da 780 nm con autoiniezione a larghezza di linea ultra ridotta su scala di chip. Questo dispositivo, grosso modo delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, dicono i ricercatori, può funzionare meglio degli attuali laser a larghezza di linea stretta da 780 nm, per una frazione del costo di produzione e dello spazio per contenerli.
L'atomo che ha motivato lo sviluppo del laser è il rubidio, scelto così per le sue proprietà ben note che lo rendono ideale per una varietà di applicazioni ad alta precisione. La stabilità della sua transizione ottica D2 presta bene l'atomo agli orologi atomici; la sensibilità dell’atomo lo rende anche una scelta popolare per i sensori e la fisica dell’atomo freddo. Facendo passare un laser attraverso un vapore di atomi di rubidio come riferimento atomico, un laser nel vicino infrarosso può assumere la caratteristica della transizione atomica stabile.
IL dottor Daniel Blumenthal asserisce: «È possibile utilizzare le linee di transizione atomica per prendere al lazo il laser. In altre parole, agganciando il laser alla linea di transizione atomica, il laser assume più o meno le caratteristiche di quella transizione atomica in termini di stabilità».
Ma una luce rossa elegante non è sufficiente per un laser di precisione. Per una luce della qualità desiderata è necessario eliminare il “rumore”. Blumenthal lo descrive come un diapason contro le corde della chitarra.
A tal proposito egli dice: «Se hai un diapason e colpisci una nota Do, probabilmente è un Do abbastanza perfetto. Ma se strimpelli un Do su una chitarra, puoi sentire altri toni. Questi laser più piccoli consentiranno soluzioni laser scalabili per sistemi quantistici reali, nonché laser per sensori quantistici portatili, schierabili sul campo e basati nello spazio».
Allo stesso modo, i laser possono incorporare frequenze (colori) diverse che generano “toni” aggiuntivi. Per creare la singola frequenza desiderata, in questo caso pura luce rosso intenso, i sistemi da tavolo incorporano componenti aggiuntivi per calmare ulteriormente la luce laser. La sfida per i ricercatori era integrare tutte quelle funzionalità e prestazioni in un chip.
Il team ha utilizzato una combinazione di un diodo laser Fabry-Perot disponibile in commercio e alcune delle guide d’onda con le perdite più basse al mondo (fabbricate nel laboratorio di Blumenthal); così come risonatori con fattore di altissima qualità, tutti fabbricati su una piattaforma di nitruro di silicio. In questo modo, i membri del team sono riusciti a duplicare le prestazioni di ingombranti sistemi da tavolo e il loro dispositivo, secondo i risultati dei test eseguiti da essi, può superare in prestazioni alcuni laser da tavolo e laser integrati precedentemente segnalati di quattro ordini di grandezza in parametri chiave come il rumore di frequenza e larghezza di linea.
Il dottor Andrei Isichenko racconta: «L'importanza dei bassi valori di larghezza di linea è che possiamo ottenere un laser compatto senza sacrificare le prestazioni del laser. In un certo senso le prestazioni sono migliorate rispetto ai laser convenzionali grazie alla completa integrazione su scala chip. Queste larghezze di linea ci aiutano a interagire meglio con i sistemi atomici, eliminando i contributi del rumore laser per risolvere completamente il segnale atomico in risposta, ad esempio, all’ambiente che stanno rilevando».
Le basse larghezze di linea – in termini di questo progetto una fondamentale sub-Hz record e un integrale sub-KHz – sono indicative della stabilità e della capacità della tecnologia laser di superare il rumore proveniente da fonti sia esterne che interne.
Ulteriori vantaggi di questa tecnologia includono il costo: utilizza un diodo da 50 dollari e impiega un processo di fabbricazione economicamente vantaggioso e scalabile creato utilizzando un processo su wafer-scale CMOS che attinge dal mondo della fabbricazione di chip elettronici.
Il successo di questa tecnologia permetterà di utilizzare questi laser fotonici integrati ad alte prestazioni, precisione e basso costo in una varietà di situazioni dentro e fuori dal laboratorio, inclusi esperimenti quantistici, cronometraggio atomico e rilevamento dei più deboli segnali di luce, come gli spostamenti dell’accelerazione gravitazionale attorno alla Terra.
«Puoi metterli sui satelliti per creare una mappa gravitazionale della Terra e attorno alla Terra con una certa precisione», ha detto Blumenthal. «Potresti misurare l’innalzamento del livello del mare, i cambiamenti nel ghiaccio marino e i terremoti rilevando i campi gravitazionali attorno alla Terra». La compattezza, il basso consumo energetico e il peso leggero sono la soluzione perfetta, ha aggiunto, per la tecnologia da impiegare nello spazio.
La ricerca in questo studio è stata condotta anche da Andrew S. Hunter, Dabapam Bose, Nitesh Chauhan, Maiting Song, Kaikai Lu e Mark W. Harrington.
Riferimenti:
(1) Andrei Isichenko
(2) Sub-Hz fundamental, sub-kHz integral linewidth self-injection locked 780 nm hybrid integrated laser
Descrizione foto: Andrei Isichenko tiene in mano il risonatore ad anello di altissima qualità (a sinistra), che può aiutare a trasformare la luce “grossolana” di un diodo laser Fabry-Perot disponibile in commercio (a destra) in un laser a bassa larghezza di linea. - Credit: Sonia Fernandez.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Bringing the power of tabletop precision lasers for quantum science to the chip scale