El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colaboradores han logrado un pequeño pero poderoso avance en la tecnología de sincronización: chips compactos que convierten sin problemas la luz en microondas.Este chip podría mejorar el GPS, la calidad de las conexiones telefónicas y de Internet, la precisión de los radares y los sistemas de detección, y otras tecnologías que dependen de la sincronización y la comunicación de alta precisión.

Esta tecnología reduce algo conocido comomomentoJitter, que son pequeños cambios aleatorios en la sincronización de las señales de microondas.De manera similar a cuando un músico intenta mantener un ritmo constante en la música, la sincronización de estas señales a veces puede variar un poco.

Los investigadores han reducido estas fluctuaciones de tiempo a una fracción muy pequeña de segundo (15 femtosegundos para ser exactos, una gran mejora con respecto a las fuentes de microondas tradicionales), lo que hace que las señales sean mucho más estables y precisas de manera que podrían aumentar la sensibilidad del radar y la precisión.de convertidores analógicos a digitales y la claridad de las imágenes astronómicas captadas por grupos de telescopios.

Los resultados del equipo fueronpublicadoenNaturaleza.

Iluminando las microondas

Lo que distingue a esta demostración es el diseño compacto de los componentes que producen estas señales.Por primera vez, los investigadores han tomado lo que alguna vez fue un sistema del tamaño de una mesa y lo han reducido en gran parte a un chip compacto, aproximadamente del mismo tamaño que la tarjeta de memoria de una cámara digital.Reducir la fluctuación de sincronización a pequeña escala reduce el uso de energía y la hace más utilizable en los dispositivos cotidianos.

En este momento, varios de los componentes de esta tecnología se encuentran fuera del chip, mientras los investigadores prueban su eficacia.El objetivo final de este proyecto es integrar todas las diferentes partes, como láseres, moduladores, detectores y amplificadores ópticos, en unchip único.

Al integrar todos los componentes en un solo chip, el equipo pudo reducir tanto el tamaño como el consumo de energía del sistema.Esto significa que podría incorporarse fácilmente a dispositivos pequeños sin requerir mucha energía ni capacitación especializada.

"La tecnología actual requiere varios laboratorios y muchos doctorados para generar señales de microondas", dijo Frank Quinlan, científico físico del NIST."Gran parte de lo que trata esta investigación es cómo utilizamos las ventajas de las señales ópticas al reducir el tamaño de los componentes y hacer que todo sea más accesible".

Para lograrlo, los investigadores utilizan un láser semiconductor, que actúa como una linterna muy estable.Dirigen la luz del láser a una pequeña caja de espejo llamada cavidad de referencia, que es como una habitación en miniatura donde la luz rebota.Dentro de esta cavidad, algunas frecuencias de luz se adaptan al tamaño de la cavidad para que los picos y valles de las ondas de luz encajen perfectamente entre las paredes.

Esto hace que la luz acumule potencia en esas frecuencias, que se utiliza para mantener estable la frecuencia del láser.Luego, la luz estable se convierte en microondas utilizando un dispositivo llamado peine de frecuencia, que convierte la luz de alta frecuencia en señales de microondas de tono más bajo.Estas microondas precisas son cruciales para tecnologías comosistemas de navegación,redes de comunicaciony radar porque proporcionan temporización y sincronización precisas.

"El objetivo es hacer que todas estas piezas funcionen juntas de manera efectiva en una única plataforma, lo que reduciría en gran medida la pérdida de señales y eliminaría la necesidad de tecnología adicional", dijo Quinlan."La primera fase de este proyecto fue demostrar que todas estas piezas individuales funcionan juntas. La segunda fase es unirlas en el chip".

En sistemas de navegación como el GPS, la sincronización precisa de las señales es esencial para determinar la ubicación.En las redes de comunicación, como los teléfonos móviles y los sistemas de Internet, la sincronización precisa de múltiples señales garantiza que los datos se transmitan y reciban correctamente.

Por ejemplo, la sincronización de señales es importante para que las redes celulares ocupadas manejen múltiples llamadas telefónicas.Esta alineación precisa de señales en el tiempo permite a la red celular organizar y gestionar la transmisión y recepción de datos desde múltiples dispositivos, como su teléfono celular.Esto asegura que múltiplesllamadas telefonicasse pueden transportar a través de la red simultáneamente sin experimentar retrasos o caídas significativas.En el radar, que se utiliza para detectar objetos como aviones y patrones climáticos, la sincronización precisa es crucial para medir con precisión cuánto tiempo tardan las señales en recuperarse.

"Hay todo tipo de aplicaciones para esta tecnología. Por ejemplo, los astrónomos que obtienen imágenes de objetos astronómicos distantes, como los agujeros negros, necesitan señales de muy bajo ruido y sincronización de relojes", dijo Quinlan.

"Y este proyecto ayuda a sacar esas señales de bajo ruido del laboratorio a manos de técnicos de radar, de astrónomos, de científicos ambientales, de todos estos diferentes campos, para aumentar su sensibilidad y capacidad de medir cosas nuevas".

Trabajando juntos hacia un objetivo compartido

La creación de este tipo de avance tecnológico no se hace sola.Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, el Instituto de Tecnología de California, la Universidad de California Santa Bárbara, la Universidad de Virginia y la Universidad de Yale se unieron para lograr este objetivo compartido: revolucionar la forma en que aprovechamos la luz yMicroondas para aplicaciones prácticas.

"Me gusta comparar nuestra investigación con un proyecto de construcción. Hay muchas partes móviles y es necesario asegurarse de que todos estén coordinados para que el plomero y el electricista lleguen en el momento adecuado al proyecto", dijo Quinlan."Todos trabajamos juntos muy bien para que las cosas sigan avanzando".

Esteesfuerzo colaborativosubraya la importancia de la investigación interdisciplinaria para impulsar el progreso tecnológico, dijo Quinlan.

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