Una cuerda que no desafina: los modos superiores mantienen la luz en el resonador ✛
Afinar una cuerda: los armónicos superiores ayudan a mantener el tono sin ahogar la nota fundamental. En una microcavidad óptica, un diminuto resonador formado por dos espejos, la luz rebota entre las superficies reflectantes y cualquier vibración en la distancia altera la resonancia. Los ingenieros de la Universidad de Lund convirtieron este problema en una ventaja: en lugar de luchar contra los modos espaciales superiores, los hicieron trabajar como estabilizadores.
El resonador de Fabry-Pérot, formado por un espejo plano y el extremo cóncavo de una fibra monomodo, se suspendió de tres resortes para aislar las vibraciones del criostato. Luego se probaron dos métodos de estabilización activa. El primero, el bloqueo en el borde del valle de resonancia de la reflexión, funcionaba, pero la precisión disminuía al aumentar el orden del modo: de 1,3 pm para el modo fundamental a 2,5 pm para el TEM50. La causa eran las pérdidas por difracción en el espejo finito de 10,5 μm de radio, que reducían la finesse, es decir, el número de reflexiones de la luz entre los espejos.
El segundo método, el bloqueo inclinado en los modos impares de Hermite-Gauss TEM10, TEM30 y TEM50, resultó más preciso. La señal de error se extrajo de la interferencia entre el modo fundamental reflejado y el modo superior resonante en un fotodetector de cuatro cuadrantes. En el modo TEM10, con una potencia intracavidad de 32 mW, se alcanzó una estabilidad de 0,5 pm RMS, cuatro veces mejor que con el bloqueo en el borde. La fuga de fotones del haz de bloqueo hacia la fibra monomodo para TEM10 fue 8 veces menor que para TEM00, y para TEM30, 20 veces menor, lo que, junto con el filtrado, da una supresión de más de 100 veces.
Antes no estaba claro si se podía estabilizar una microcavidad abierta con alta precisión sin contaminar el detector de fotones individuales con la luz del haz de bloqueo. Ahora se ha demostrado que el bloqueo inclinado en modos superiores resuelve ambos problemas a la vez. El método está listo para aplicarse en experimentos con emisores individuales en cavidades abiertas, especialmente a temperaturas criogénicas. El siguiente paso es integrar el resonador con nanocristales dopados con iones de tierras raras para verificar el aumento de Purcell.
Volvamos a la cuerda: los armónicos superiores no solo suenan junto con la nota fundamental, sino que mantienen su tono cuando el instrumento vibra. En óptica, los modos superiores hacen lo mismo con la luz, abriendo el camino hacia redes cuánticas con emisores individuales.
La estabilidad de 0,5 pm es aproximadamente una cincuentmilésima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno. Si la distancia entre los espejos fuera de un metro, esa precisión equivaldría a controlar el hueco con un error de medio porcentaje del grosor de un cabello humano.
La idea de usar modos superiores para estabilizar el resonador recuerda al concepto de "amortiguamiento cuántico" de la novela de Greg Egan, "Cuarentena", donde el ajuste preciso de cavidades ópticas permite controlar los estados cuánticos de partículas individuales.