Kammen som kan upptäcka exoplaneter och sjukdomar

Bild 1 av 1
Montage av ett mikrochip och doktoranden Óskar Bjarki Helgason
Här visar doktoranden Óskar Bjarki Helgason chipet och den experimentella uppställning som används för att generera den banbrytande mikrokammen. ​​​​​​​​​Foto: Mia Halleröd Palmgren Fotomontage: Yen Strandqvist /Chalmers

Minimala optiska mätstickor – mikrokammar – kan användas för att upptäcka exoplaneter, hålla koll på vår hälsa och göra internet mer energieffektivt. Nu presenterar forskare från Chalmers en nydanande mikrokam som kan bidra till att avancerade tekniklösningar kan bli verklighet.

​En mikrokam kan beskrivas som en optisk stämgaffel, eller en ljuslinjal. Den skapas med hjälp av en laser och en optisk mikroresonator. Ljuset cirkulerar i en liten resonanslåda och bildar en kam som sänder ut en myriad av färger – eller frekvenser. Dessa separeras med stor noggrannhet, liksom markeringarna på en linjal.

I en nyligen publicerad artikel i prestigefyllda Nature Photonics beskriver åtta chalmersforskare en ny typ av mikrokam på ett chip, där de använder två mikroresonatorer i stället för en. Innovationen gör det möjligt att öka energieffektiviteten tio gånger, jämfört med dagens ledande teknik. Kammen är dessutom både justerbar och möjlig att massproducera.

– Det som gör våra nya resultat viktiga är att de erbjuder en unik kombination av olika efterlängtade egenskaper när det gäller effektivitet, energisnålhet och precision, säger Óskar Bjarki Helgason, doktorand på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers och den vetenskapliga artikelns huvudförfattare.

Breda användningsområden

Eftersom nästan alla optiska mätningar på något sätt kan kopplats till ljusfrekvenser kan mikrokammen göra nytta i många olika sammanhang framöver. Den skulle till exempel kunna användas för att minska energianvändningen i datacentrum för fiberoptiska kommunikationssystem och därmed göra internet mer energieffektivt. Kammen kan också komma till nytta i självkörande fordon genom att den kan mäta avstånd med hög precision. Den skulle också kunna kalibrera mätinstrument i rymdobservatorier som används för att försöka upptäcka planeter utanför vårt solsystem, så kallade exoplaneter.

Extremt exakta atomur och mobilappar som kan hålla koll på vår hälsa är andra spännande områden där mikrokammen öppnar nya möjligheter. Den skulle till exempel kunna analysera vår utandningsluft för att upptäcka sjukdomar på ett tidigt stadium.
Kan ge svar på frågor som inte ställts ännu
Den nya chipbaserade mikrokammen är så liten att den ryms på änden av ett hårstrå, men chalmersforskarna är inte först med att presentera mikrokammar på ett chip. Det nya är att de använder sig av två mikroresonatorer, vilket gör att de kan övervinna flera kända begränsningar inom forskningsfältet.

– För att tekniken ska kunna ta steget från labbet och ut i samhället behöver mikrokammen integreras med andra tekniklösningar. Det handlar om en stor ingenjörsutmaning som sannolikt ligger fem till tio år fram i tiden. Det krävs stora investeringar, men jag är säker på att vi kommer att nå dit. De mest spännande användningsområdena kan också vara de som vi inte ens har tänkt på ännu! Vad kan vi till exempel göra med tio mikrokammar som vi inte kan göra med en? säger Victor Torres Company, som leder forskningsprojektet på Chalmers.

​Läs artikeln Dissipative solitons in photonic molecules i Nature Photonics

Den vetenskapliga artikeln är skriven av Óskar B. Helgason, Francisco R. Arteaga-Sierra, Zhichao Ye, Krishna Twayana, Peter A. Andrekson, Magnus Karlsson, Jochen Schröder och Victor Torres Company vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.
Forskningen har utförts vid Chalmers och har finansierats genom forskningsanslag från Europeiska forskningsrådet och Vetenskapsrådet

Se SVT-inslag om Mikrokammen - en liten uppfinning med stor potential​

Se explainer-filmen New microcomb could detect expoplanets and diseases​

Mer om frekvenskam och mikrokam

En frekvenskam är en speciell ljuskälla där de utsända frekvenserna/färgerna är jämnt fördelade. Den fungerar ungefär som en linjal av ljus, där markörerna ställer in frekvensskalan över en del av det elektromagnetiska spektrumet, från ultraviolett till infrarött. Markörernas placering, eller kammens tänder, kan kopplas till en känd referens och fungerar därför som mätsticka.
Den första frekvenskammen såg dagens ljus i slutet av 90-talet och den revolutionerade mätmetoden belönades med Nobelpriset i fysik 2005.


En mikrokam är en mer modern teknik som inte kräver lägeslåsta lasrar. Med enbart en laserkälla kan den generera ljuspulser med mycket höga hastigheter.
Mikrokammar har flera fördelar som gör dem intressanta för olika tekniska applikationer. De är ytterst små, energisnåla, anpassningsbara och möjliga att massproducera. De utmärker sig också genom att ha ett mycket stort frekvensavstånd mellan markörerna/tänderna, vanligtvis mellan 10 och 1000 GHz (gigahertz), vilket öppnar möjligheterna för nya användningsområden.

Så genereras mikrokammen

Chalmersdoktoranden Óskar Bjarki Helgason visar den experimentella uppställningen i fotoniklabbet och förklarar hur den nya mikrokammen genereras

Victor Torres Company
  • Biträdande professor, Fotonik, Mikroteknologi och nanovetenskap

Skribent

Mia Halleröd Palmgren