La llum, amb els seus innombrables colors, és una de les meravelles de la natura. Per comprendre realment el que veiem és essencial conèixer el color de la llum amb el qual percebem el nostre món. Ho vam aconseguir a través d'unes regles òptiques anomenades pintes de freqüència (frequency combs en anglès), l'aplicació de les quals va merèixer el Premi Nobel de Física l'any 2005.

Amb les regles òptiques es mesuren no només els colors, sinó també el temps, les distàncies i altres magnituds essencials; per això la seva importància en aplicacions científiques i tecnològiques és enorme. Són les eines que permeten endinsar-se en el regne de la llum i desvelar els seus secrets més profunds. Un pas més és el que permet, precisament, un estudi recent, liderat per la Universitat Politècnica de València (UPV), en el qual ha participat l'investigador Salim B. Ivars, estudiant del programa de doctorat en Física Computacional i Aplicada, vinculat al Departament de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya - Barcelona Tech (UPC), i Lluís Torner, director de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), de la UPC. També ha participat Yaroslav V. Kartashov, investigador de l'Institut d'Espectroscòpia de l'Acadèmia Russa de Ciències (Moscou).

Al seu treball, publicat a la revista de recerca científica Nature Photonics, han descobert els Photonic snake states (Estats de serp fotònica), un nou instrument per desvelar, encara més, els secrets de la llum, atès que obre perspectives inèdites a la formació de les pintes de freqüència: prediu l'existència de regles òptiques bidimensionals, més complexes que les unidimensionals manejades fins ara, i brinden una versatilitat sense precedents en una àmplia gamma d'aplicacions. L'estudi ha captat l'atenció de la comunitat científica internacional.

Aplicacions en comunicacions, espectroscòpia, o computació
Les utilitats de les pintes de freqüència són molt variades, i destaquen sobretot al camp de les comunicacions. Segons expliquen els autors de l'estudi, aquestes pintes permeten transmetre grans quantitats d'informació a través de fibres òptiques de manera molt eficient, ja que, en tenir les freqüències ben definides, es poden enviar múltiples senyals de llum alhora i separar-les fàcilment quan es reben.

Una altra àrea on els frequency combs han demostrat gran utilitat és a l'espectroscòpia. En poder obtenir espectres òptics amb una precisió i una resolució sense precedents, es facilita la identificació de diferents substàncies. Això té aplicació directa en camps com la química, la biologia i la medicina, on la detecció necessita molècules i la caracterització de materials és fonamental.

Per al cas de la metrologia, la ciència del mesurament, aquestes estructures es fan servir com a referència per definir estàndards, gràcies a la seva capacitat per generar freqüències estables i conegudes. Això permet realitzar mesuraments molt precisos en magnituds fonamentals, com ara el temps o la longitud, rellevants per a la majoria dels camps científics.

Finalment, les pintes de freqüència també han trobat aplicacions prometedores a la computació quàntica, on les partícules de llum (o fotons) juguen un paper fonamental. En concret, les pintes de freqüència es poden utilitzar per generar fotons individuals amb propietats específiques, cosa que és crucial per al desenvolupament d'aquestes tecnologies.

El futur de les regles òptiques
Un problema fonamental que cal analitzar per tenir èxit en aquestes propostes és el de les inestabilitats que apareixen quan s'intenta construir aquestes regles òptiques i que impedeixen generar formes de llum versàtils. Com apunta el professor Pedro Fernández de Còrdova, investigador de l'IUMPA de la UPV i coautor d'aquest treball, "cal destacar que el nostre equip ha obtingut, des d'un punt de vista teòric, les condicions perquè l'estructura de llum sigui estable, trobant configuracions en forma de ziga-zaga que hem anomenat Serps Fotòniques. L'estabilitat d'aquests estats de llum és un aspecte crucial per a les aplicacions futures".

Així mateix, en aquest article s'ha demostrat que és possible crear una disposició bidimensional de regles òptiques sincronitzades entre si i individualment accessibles. Aquest descobriment proporciona una àmplia col·lecció de regles generades en un únic dispositiu i controlades per una sola font de llum làser. De fet, com manifesta el professor Carles Milián, responsable d'aquesta investigació: “l'impacte potencial d'aquest avenç és extraordinari, ja que podria permetre el desenvolupament de dispositius monolítics multipeine reconfigurables i de banda ampla. Aquests dispositius subministrarien diferents pintes de freqüència sota demanda i en temps real, ampliant significativament les aplicacions existents”.

Finalment, aquest estudi s'ha basat en models teòrics rigorosos i molt complets, que han tingut en compte tots els efectes coneguts que poguessin aparèixer en els futurs experiments de formació de pintes de freqüència bidimensionals, i que han estat simulats mitjançant potents eines teòriques i numèriques. De fet, com apunta el professor J. Alberto Conejero, director del Departament de Matemàtica Aplicada de la UPV i coautor d'aquest treball, “en aquesta investigació s'ha construït un model molt precís que inclou tots els fenòmens que poden influir en la formació d'aquestes estructures. Funcionarà com una guia per als experiments del futur, amb el consegüent impacte econòmic en conèixer per endavant els paràmetres experimentals amb què es poden generar serps de llum estables”.

Pel director de l'ICFO, Lluís Torner “aquest important descobriment és remarcable perquè és inesperat i sorprenent, i ha estat possible gràcies a la intuïció i lideratge del professor Milián”.

L'equip de la UPV, la UPC i l'ICFO assegura que aquesta troballa estimularà encara més la investigació al camp i donarà lloc a noves aplicacions i tecnologies revolucionàries. “Gràcies a aquests avenços, estem un pas més a prop de desentranyar els misteris de la llum i aprofitar tot el seu potencial en benefici de la nostra societat”, conclouen.

Article de referència

• Ivars, S.B., Kartashov, Y.V., de Córdoba, P.F. et al. Photonic snake states in two-dimensional frequency combs. Nature Photonincs (2023).  DOI: 10.1038/s41566-023-01220-1