Pernahkah kita membayangkan memiliki sebuah alat atau perkakas untuk melakukan sesuatu dari cahaya? Memotong benda dengan pisau cahaya mungkin kita sudah pernah mendengarnya atau menyaksikannya di film-film fiksi ilmiah, yaitu dengan menggunakan sinar laser. Tetapi bisakah kita mendorong atau memindahkan sebuah benda kecil dengan menggunakan cahaya?
Impian itulah yang muncul di benak salah satu dari tiga peraih nobel fisika tahun 2018, Arthur Ashkin. Penemuannya yang membawanya menerima penghargaan paling bergengsi dalam bidang sains bermula dari imajinasi di atas. Ashkin membayangkan jika berkas cahaya dapat digunakan dalam melakukan pekerjaan dan menggerakkan benda-benda. Imajinasi Ashkin juga muncul dalam film serial yang terkenal pada tahun 1960-an, Star Trek. Dalam serial itu sebuah berkas traktor dapat digunakan untuk mengambil benda-benda, termasuk asteroid di luar angkasa, tanpa menyentuhnya (berkas traktor [tractor beam] adalah berkas energi hipotesis (khayalan), yang dianggap dapat menggerakkan benda dalam film Star Trek).
Sekilas, apa yang diimpikan oleh Ashkin kedengaran seperti fiksi ilmiah seperti dalam Star Trek. Kita memang dapat merasakan berkas cahaya matahari membawa energi tetapi tekanan yang ditimbulkan oleh berkas tersebut terlalu kecil untuk kita alami langsung. Pertanyaannya adalah apakah gaya tekanan yang sedemikian kecil ini, yang tak terasa oleh kita, dapat mendorong atau menggerakkan partikel-partikel yang sangat kecil dan atom-atom?
Setelah penemuan laser pada tahun 1960, Ashkin mulai bereksperimen dengan alat baru yang ada di Bell Laboratories di luar New York, untuk mencoba mewujudkan impiannya.
Dalam berkas laser, gelombang cahaya bergerak secara koheren, berbeda dengan berkas cahaya biasa lainnya yang merupakan campuran dari semua spektrum cahaya tampak dan terhambur ke segala arah.
Ashkin menyadari bahwa sebuah laser merupakan alat yang sempurna untuk menghasilkan berkas cahaya yang memungkinkan menggerakkan partikel-partikel kecil. Dia mencoba menyinari bola transparan berukuran kecil (dalam orde mikrometer) dan tentu saja dia mendapati bola kecil tersebut betul-betul bergerak. Pada saat yang bersamaan, Ashkin terkejut bagaimana bola-bola tersebut tertarik ke bagian tengah berkas laser itu yaitu suatu area yang memiliki intensitas sinar yang paling tinggi. Penjelasan atas hal ini adalah bagaimanapun tingginya intensitas berkas laser, intensitas itu akan berkurang jika semakin jauh dari pusat berkasnya. Oleh karena itu, tekanan radiasi yang dilakukan oleh laser terhadap partikel juga akan bervariasi, dan variasi tekanan ini akan menghasilkan gaya yang mendorong partikel tersebut ke daerah bagian tengah berkas laser, yang mempertahankan partikel tersebut berada di tengah-tengah berkas.
Untuk tetap dapat mengendalikan partikel dalam arah berkas, Ashkin menambahkan sebuah lensa yang kuat untuk memfokuskan cahaya laser tersebut. Partikel kemudian akan tertarik ke arah titik yang memiliki intensitas cahaya yang terbesar. Dari sini lahirlah sebuah sistem perangkap cahaya; yang selanjutnya disebut dengan pinset cahaya.
Lompat baca ke bagian berikut :
Bakteri cahaya tertangkap cahaya
Setelah beberapa tahun dan sejumlah rintangan yang dihadapinya, atom-atom tunggal akhirnya dapat juga ditangkap dengan menggunakan pinset cahaya Ashkin. Ada banyak kesulitan dalam mencapai hal ini: salah satunya adalah gaya yang kuat dibutuhkan pada pinset cahaya untuk dapat menangkap atom-atom, kesulitan lainnya adalah vibrasi panas atom-atom. Dengan demikian perlu ditemukan cara untuk melambatkan atom-atom dan menyatukannya dalam sebuah area yang luasnya lebih kecil dari tanda titik di akhir kalimat ini.
Semua itu akhirnya terwujud pada tahun 1986, ketika pinset cahaya dapat digabungkan dengan metode lainnya untuk menghentikan atom-atom dan memerangkapnya.
Saat upaya untuk memperlambat atom-atom menjadi topik penelitian tersendiri, Arthur Ashkin justru menemukan kegunaan yang benar-benar baru pada pinset cahaya temuannya. Yaitu dapat digunakan dalam mempelajari sistem-sistem biologi. Pemanfaatan pada sistem biologis inilah yang mengantarkannya menuju ke penemuan bagaimana memperlambat atom-atom. Dalam upayanya untuk menangkap partikel-partikel yang sangat kecil, dia menggunakan sampel virus-virus mosaik. Setelah dia membiarkan sampel itu terbuka semalaman, sampel-sampel tersebut penuh dengan partikel-partikel besar yang bergerak ke sana kemari. Dengan menggunakan mikroskop, dia mengetahui bahwa partikel-partikel tersebut adalah bakteri tetapi bakteri-bakteri itu tidak berenang ke sana kemari secara bebas. Saat bakteri tersebut mendekati berkas laser, maka bakteri-bakteri tersebut akan terperangkap. Namun demikian, laser hijau yang digunakannya dalam eksperimen tersebut ternyata membunuh bakteri-bakteri itu, sehingga dibutuhkan berkas laser yang lebih lemah agar bakteri tetap hidup. Dalam cahaya inframerah yang tidak tampak bakteri-bakteri tersebut akan tetap hidup tanpa mengalami cedera dan dapat melakukan reproduksi.
Dari hasil tersebut, Ashkin akhirnya memfokuskan penelitiannya pada berbagai jenis bakteri, virus, dan sel-sel hidup lainnya. Akhirnya, dia bahkan dapat mendemonstrasikan bahwa kita dapat mencapai sel tanpa menghancurkan membran selnya dengan menggunakan pinset cahaya tersebut.
Ashkin telah membuka sebuah penerapan baru di seantero dunia dengan menggunakan pinset optiknya. Salah satu terobosan penting lainnya adalah kemampuan untuk menginvestigasi sifat-sifat mekanik motor molekul, molekul besar yang melaksanakan fungsi vital dalam sel-sel. Hal pertama yang akan dipetakan secara detail dengan menggunakan pinset optik tersebut adalah sebuah protein motor, yang disebut kinesin, dan tahap-tahap pergerakannya sepanjang mikrotubula, yang merupakan bagian dari sel rangka.
Dari fiksi ilmiah ke aplikasi praktis
Setelah 5 tahun, sejumlah peneliti telah terinspirasi untuk mengadopsi metode Ashkin dan melakukan sejumlah perbaikan. Pengembangan hasil penerapan yang sudah tak terhitung ini telah membawa kita pada kemampuan untuk mengendalikan sistem-sistem kecil itu mulai dari sekedar mengamati, memutar, memotong, mendorong, dan menarik, tanpa menyentuh objek yang diamati. Dalam banyak laboratorium, pinset laser akan menjadi perlengkapan standar untuk mempelajari proses-proses biologis, seperti protein tunggal, motor molekuler, DNA atau kehidupan dalam sel-sel. Holografi optik yang merupakan satu di antara sekian penemuan yang paling baru saat ini pun terdiri atas ribuan pinset-pinset optik yang digunakan secara bersamaan, misalnya untuk memisahkan sel-sel darah yang sehat dari infeksi sel-sel darah yang sakit, sesuatu yang dapat diterapkan dalam memerangi masalah malaria.
Arthur Ashkin tidak pernah berhenti kagum atas perkembangan pinset optisnya. Bermula dari sebuah fiksi sains sekarang telah menjadi realitas.
