Una mejora de una tecnología ganadora del Premio Nobel llamada peine de frecuencia le permite medir los tiempos de llegada de los pulsos de luz con mayor sensibilidad de lo que era posible anteriormente, mejorando potencialmente las mediciones de distancia junto con aplicaciones como la sincronización de precisión y la detección atmosférica.

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 han denominado « peine de frecuencia programable en el 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 ha demostrado que manipular la sincronización de los pulsos puede ayudar a los peines de frecuencia a realizar mediciones precisas en un conjunto de condiciones más amplio de lo que ha sido posible..

« Básicamente, hemos roto esta regla de los peines de frecuencia que exige que usen 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 hemos librado de las compensaciones 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 Nature.

A menudo descrito como una regla para la luz, un peine de frecuencia es un tipo de láser cuya luz consta de muchas frecuencias bien definidas que se pueden medir con precisión. Mirando el espectro del láser en una pantalla, cada frecuencia se destacaría como un diente de un peine, dando nombre a la tecnología. Después de ganar a Jan Hall del NIST una 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 la detección de gases de efecto invernadero.

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

Desde poco después de su invención, los peines de frecuencia han permitido mediciones de distancia de alta precisión. 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 centímetros a muchos metros, según el ancho del pulso de la señal. Los pulsos ópticos de un peine de frecuencia son mucho más cortos que los de la radio, lo que potencialmente permite mediciones con una precisión de nanómetros (nm) o milmillonésimas de metro, incluso cuando el detector está a muchos kilómetros del objetivo. El uso de técnicas de peine de frecuencia podría eventualmente permitir el vuelo en formación precisa de satélites para la detección coordinada de la Tierra o el espacio, mejorando el GPS y apoyando otras aplicaciones de sincronización y navegación ultraprecisas.

La medición de distancias con peines de frecuencia requiere dos peines cuyos pulsos de láser estén estrechamente coordinados. Los pulsos de un láser de peine rebotan en un objeto lejano, al igual que el radar usa 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 viene con esta gran precisión se relaciona con la cantidad de luz que el detector necesita recibir. Por la naturaleza de su diseño, el detector solo puede registrar fotones del láser de alcance que llegan al mismo tiempo que los pulsos del láser del segundo peine. Hasta ahora, debido a la ligera compensación en el período de repetición, había un período relativamente largo de « tiempo muerto » entre estas superposiciones de pulsos, y los fotones que llegaban entre las superposiciones eran información perdida, inútil para el esfuerzo de medición. Esto hizo que algunos objetivos fueran difíciles de ver.

Los físicos tienen un término para sus aspiraciones en este caso : quieren hacer mediciones en el « límite cuántico », lo que significa que pueden tener en cuenta todos los fotones disponibles que transportan 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 frecuencia ha funcionado lejos de ese límite cuántico.

« Los peines de frecuencia se usan 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 usar este método de control diferente, puede deshacerse de ese desperdicio. Esto puede significar un aumento en la velocidad de medición, en la precisión, o permite usar 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 enfoque de muestreo anterior. Esto ocurre a pesar del hecho de que el controlador debe encontrar una « aguja en un pajar » : los pulsos son comparativamente breves y duran solo el 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 tiempo de modo que los pulsos del segundo peine se aceleren o disminuyan. Esto permite que los pulsos se realineen, de modo que los pulsos del segundo peine siempre se superpongan 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 milimétrica de los peines de frecuencia.

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

« Descubrimos que podemos medir el alcance a un objetivo rápidamente, incluso si solo tenemos una señal débil », dijo Sinclair. « Dado que se detecta cada fotón que regresa, podemos medir la distancia cerca del límite cuántico estándar con precisión ».

En comparación con el rango estándar de doble peine, el equipo vio una reducción de 37 decibelios en la potencia recibida requerida; en otras palabras, solo requirió alrededor del 0,02% de los fotones necesarios anteriormente.

La innovación podría 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.