Ricercatori negli Stati Uniti e in Canada hanno sviluppato una nuova tecnica che potrebbe migliorare notevolmente l'accuratezza delle misurazioni di tempo e distanza effettuate utilizzando doppi pettini di frequenza ottici. Con la regolazione dinamica di uno dei pettini, Emilia Calwell e colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST) di Boulder, Colorado e Octosig Consulting di Quebec City hanno reso la tecnica molto più efficiente.
Dimostrato per la prima volta all'inizio del millennio, il pettine di frequenza ottico ha aumentato l'accuratezza delle misurazioni di tempo e distanza. È possibile creare un pettine utilizzando un laser che emette impulsi ultrabrevi a intervalli regolari. Lo spettro di frequenza degli impulsi ha picchi acuti e uniformemente distanziati, che gli conferiscono l'aspetto dei denti di un pettine.
Per misurare il tempo e la distanza, gli impulsi del pettine vengono riflessi da un oggetto distante. La luce riflessa viene quindi combinata con un secondo pettine, che ha impulsi leggermente ritardati rispetto al primo pettine. Misurando l'allineamento relativo dei due pettini, il tempo di ritorno del primo pettine, e quindi la distanza dall'oggetto riflettente, può essere determinato con una precisione molto elevata.
Piccola sovrapposizione
Tuttavia, un importante inconveniente di questa tecnica è che la lunghezza degli impulsi è molto più breve degli spazi tra gli impulsi. Pertanto, è spesso il caso che vi sia poca sovrapposizione tra l'impulso riflesso e l'impulso ritardato. Ciò significa che le misurazioni a volte si basano sulla misurazione di numeri molto piccoli di fotoni, riducendo la precisione e sprecando gran parte della luce riflessa. Questo è un problema particolarmente urgente per le applicazioni di rilevamento al di fuori del laboratorio, dove la luce nel primo pettine è già attenuata mentre percorre lunghe distanze da e verso l'oggetto target.
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Per superare questo problema, il team di Caldwell ha utilizzato un controller digitale per tracciare e controllare la temporizzazione dell'impulso nel secondo pettine con una precisione di 2 as. Questo ha permesso loro di agganciare il secondo pettine al primo, assicurandosi che gli impulsi arrivassero al rilevatore contemporaneamente. Di conseguenza, tutti i fotoni nel primo pettine possono potenzialmente essere utilizzati in una misurazione.
Questa innovazione ha permesso al team di effettuare le misurazioni vicino al limite quantico, un limite fondamentale all'accuratezza della misurazione imposto dalle fluttuazioni quantistiche. Un altro vantaggio del sistema è che il suo uso efficiente dei fotoni significa che può funzionare a una potenza molto inferiore, richiedendo solo lo 0.02% dei fotoni utilizzati dai sistemi precedenti per gli stessi risultati.
Di conseguenza, l'approccio del team potrebbe offrire nuove entusiasmanti opportunità per percepire opportunità al di fuori del laboratorio. Ciò include la misurazione delle distanze da oggetti lontani come i satelliti in orbita con precisione nanometrica.
La ricerca è descritta in Natura.
