Nobel fisika 2023 berkaitan dengan cabang fisika baru yang disebut fisika attosekon yaitu fisika yang membahas tentang pulsa cahaya yang memiliki detak yang sangat singkat mencapai orde attosekon.
Artikel tentang nobel fisika lainnya yang relevan dapat Anda baca di tulisan ini: teknologi baru berkas cahaya sangat pendek ultrashort berintensitas tinggi
Para pionir penelitian tentang fisika attosekon ini: Anne L’Huillier, Pierre Agostini dan Ferenc Krausz pun menjadi fisikawan peraih Nobel fisika 2023.
Seekor burung kolibri dapat mengepakkan sayapnya 80 kali dalam satu sekon. Tapi kepakan sayap yang cepat ini hanya dapat kita indera dalam bentuk suara yang mendesing dan gerakan sayap yang kelihatan kabur. Keterbatasan indra kita menyebabkan gerakan yang sangat cepat akan tampak kabur, dan peristiwa yang berlangsung sangat-sangat singkat tidak akan mungkin dapat teramati. Kita perlu bantuan teknologi untuk mengindra dan menggambarkan peristiwa yang berlangsung sangat singkat ini.
Sejauh ini, sistem fotografi berkecepatan tinggi dan cahaya strobo memungkinkan kita untuk menangkap detail gambar dari sebuah peristiwa yang terjadi dalam waktu yang singkat. Untuk gambar foto yang fokus dengan objek seekor burung kolibri yang sedang terbang akan memerlukan eksposur waktu yang jauh lebih singkat dibandingkan dengan waktu sekali kepakan sayap burung tersebut. Semakin cepat sebuah kejadian, semakin cepat pengambilan gambar yang diperlukan untuk menangkap momen tersebut.
Prinsip yang sama berlaku untuk semua metode yang digunakan untuk mengukur atau menggambarkan proses yang cepat; pengukuran apa pun harus dilakukan lebih cepat dari waktu yang dibutuhkan oleh sistem tersebut untuk mengalami perubahan, jika tidak maka hasilnya akan kabur. Penerima nobel tahun ini telah melakukan eksperimen yang mendemonstrasikan sebuah metode untuk menghasilkan pulsa cahaya yang cukup jelas untuk menangkap proses yang terjadi dalam atom-atom dan molekul-molekul.
Skala waktu dalam dunia atom sangatlah singkat. Dalam sebuah molekul, atom dapat bergerak dan berubah dalam orde femtosekon (sepersejuta dari sepermilyar detik). Pergerakan ini dapat dipelajari dengan menggunakan pulsa yang sangat singkat yang dapat dihasilkan dengan menggunakan laser. Tetapi jika keseluruhan atom tersebut bergerak, maka skala waktunya akan ditentukan oleh inti atomnya yang berat dan besar. Akibatnya gerakan atom secara keseluruhan akan jauh lebih lambat dibandingkan dengan elektron yang ringan sehingga gerakannya lebih gesit.
Ketika elektron bergerak dalam atom atau molekul, elektron-elektron tersebut bergerak sangat cepat sehingga perubahannya akan tampak kabur dalam rentang waktu femtosekon. Dalam dunia elektron, posisi dan energi selalu mengalami perubahan. Kecepatan perubahan ini berkisar antara satu hingga beberapa ratus attosekon. (Attosekon ini adalah sepermilyar dari sepermilyar detik).
Femtosekon telah lama dianggap sebagai batas tertinggi kedipan cahaya yang dapat dihasilkan. Perbaikan teknologi yang telah ada tidak cukup untuk dapat melihat gerakan yang terjadi dalam skala waktu elektron. Oleh karena itu dibutuhkan sesuatu yang benar-benar baru. Nobel fisika tahun ini berkaitan dengan eksperimen yang telah membuka cabang fisika baru yang disebut fisika attosekon.
Lompat baca ke bagian berikut :
Nobel Fisika 2023: Pulsa Pendek dari Nada Atas
Cahaya merupakan gelombang –getaran medan listrik dan medan magnet—yang saat melalui sebuah ruang hampa, tidak ada yang dapat mengalahkan kecepatannya.
Cahaya memiliki berbagai panjang gelombang. Panjang gelombang ini berkaitan dengan warna-warna tertentu. Sebagai contoh, cahaya merah memiliki panjang gelombang sekitar 700 nanometer, yaitu seperseratus kali tebal seutas rambut, dan memiliki frekuensi sekitar 430.000.000.000.000 per sekon. Kita dapat membayangkan pulsa cahaya yang dianggap paling pendek sebagai sebuah periode tunggal dalam gelombang cahaya, yaitu siklus di mana pulsa bergerak menuju puncak, kemudian turun ke dasar (lembah), dan kembali ke titik awalnya. Dalam konteks ini, panjang gelombang yang digunakan dalam sistem laser yang biasa tidak akan pernah dapat mencapai orde femtosekon. Oleh sebab itu pada tahun 1980an, pulsa yang dihasilkan oleh sistem laser tersebut dianggap sebagai batas paling tinggi untuk hamburan cahaya tersingkat yang mungkin dicapai.
Tetapi matematika gelombang memberi sebuah petunjuk. Persamaan matematika gelombang menunjukkan bahwa gelombang bentuk apa pun dapat dibuat asalkan terdapat cukup banyak gelombang yang memiliki ukuran, panjang gelombang dan amplitudo yang sesuai yang dapat digunakan. Hal ini menginspirasi trik untuk mencapai orde attosekon yaitu dengan membuat pulsa gelombang yang lebih pendek dengan menggabungkan sejumlah panjang gelombang yang lebih pendek.
Mengamati pergerakan elektron dalam skala atomik memerlukan pulsa cahaya yang cukup pendek, yang berarti kita harus menggabungkan sejumlah gelombang pendek yang terdiri atas berbagai panjang gelombang.
Untuk menambahkan panjang gelombang baru pada cahaya, dibutuhkan lebih dari sekadar laser. Kunci untuk dapat mengakses momen tersingkat yang pernah dipelajari adalah fenomena yang timbul pada saat cahaya laser melalui sebuah gas. Cahaya laser berinteraksi dengan atom-atom gas dan menyebabkan terbentuknya nada atas, yaitu sebuah situasi di mana gelombang telah sempurna menjalani keseluruhan siklus pada tiap siklus gelombang asalnya. Kita dapat membandingkan hal ini dengan nada atas yang dihasilkan oleh suara yang memiliki karakter tertentu, yang memungkinkan kita mendengar perbedaan antara suara untuk notasi yang sama yang dimainkan oleh gitar dan piano.
Pada tahun 1987, Anne L’Huillier bersama koleganya di Laboratorium Perancis berhasil membuat dan mendemonstrasikan nada atas yang menggunakan sebuah berkas laser inframerah yang dilewatkan melalui sebuah gas mulia. Penggunaan cahaya inframerah menghasilkan nada atas yang lebih kuat dibandingkan dengan laser dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Dalam sejumlah percobaan yang dilakukan, teramati banyak nada tinggi dengan intensitas cahaya yang sama.
Dalam sejumlah artikel yang ditulisnya, L’Huillier terus mengeksplorasi efek ini selama tahun 1990-an, termasuk saat ia berada di tempat barunya, Lund University. Hasil yang diperolehnya ini berkontribusi terhadap pemahaman teoritis terhadap fenomena ini, yang menjadi fondasi terobosan eksperimen selanjutnya.
Elektron yang lepas menghasilkan nada atas
Ketika cahaya laser memasuki gas dan mempengaruhi atom-atomnya, energi cahaya laser akan menyebabkan terjadinya vibrasi yang mendistorsi medan listrik yang “memegang” elektron di sekitar inti atomnya. Elektron tersebut kemudian dapat lepas dari atomnya. Namun demikian, medan listrik cahaya terus menerus bervibrasi dan ketika vibrasi ini berubah arah, sebuah elektron yang terikat lemah dapat bergerak kembali ke arah inti atomnya. Selama tamasya elektron ini, elektron tersebut mengumpulkan banyak energi tambahan dari medan listrik laser dan untuk mengikatkan diri kembali ke intinya, elektron tersebut harus melepaskan energi tambahan ini dalam bentuk pulsa cahaya. Pulsa cahaya yang berasal dari elektron inilah yang menghasilkan nada atas yang tampak dalam eksperimen.
Energi cahaya berkaitan dengan panjang gelombang cahaya tersebut. Energi pada nada atas yang dipancarkan setara dengan energi cahaya ultraviolet yang memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dibandingkan dengan cahaya tampak yang dapat dilihat oleh mata manusia secara langsung. Karena energi ini berasal dari getaran-getaran sinar laser, getaran nada atas ini sebanding dengan panjang gelombang pulsa laser asalnya. Hasil interaksi cahaya dengan banyak atom yang berbeda-beda berupa gelombang cahaya yang berbeda dengan sekumpulan panjang gelombang spesifik.
Begitu nada atas ini muncul, mereka saling berinteraksi satu sama lain. cahaya pun menjadi semakin tajam saat puncak gelombangnya bertemu, tetapi menjadi kurang tajam pada saat puncaknya pada satu siklus bertemu dengan lembah gelombang nada atas lainnya. Pada kondisi yang tepat, nada atas ini saling bersamaan sehingga serentetan pulsa cahaya ultraviolet dihasilkan, di mana setiap pulsa memiliki panjang sebesar ratusan attosekon. Fisikawan telah memahami teori di balik fenomena ini pada tahun 1990an, tetapi terobosan yang sebenarnya adalah bagaimana mengidentifikasi dan menguji pulsa cahaya ini. Hal ini baru tercapai pada tahun 2001.
Pierre Agostini dan kelompok penelitiannya di Perancis sukses menghasilkan sederetan pulsa-pulsa cahaya berentetan seperti kereta dengan beberapa gerbong-gerbongnya dengan meneliti sifat-sifatnya. Agostini dan kawan-kawan menggunakan sebuah trik khusus pada capaian ini yaitu dengan menempatkan “kereta pulsa” bersama-sama dengan sebuah sinyal tunda dari pulsa laser asalnya, untuk melihat bagaimana nada atas ini sefase satu sama lain. Prosedur ini juga memberi mereka ukuran durasi rentetan pulsa, dan dari hasil tersebut mereka dapat melihat bahwa tiap-tiap pulsa berlangsung hanya selama 250 attosekon.
Pada waktu yang sama, Ferenc Krausz dan kelompok penelitiannya di Austria sedang mengerjakan tentang sebuah teknik yang dapat memilih sebuah pulsa tunggal –seumpama sebuah gerbong yang dilepas dari lokomotif dan memasangnya pada lokomotif jalur lain. Pulsa yang berhasil mereka lepaskan tersebut berlangsung selama 650 attosekon. Krausz dan kawan-kawannya menggunakannya untuk melacak dan mempelajari sebuah proses di mana elektron ditarik dari atom-atomnya.
Eksperimen ini mendemonstrasikan bahwa pulsa attosekon benar-benar dapat diamati dan diukur, serta dapat dimanfaatkan dalam eksperimen baru.
Kini, telah terwujud bahwa dunia attosekon telah dapat diakses, pancaran sinar yang singkat ini dapat digunakan untuk mempelajari pergerakan elektron. Saat ini, kita telah dapat menghasilkan pulsa-pulsa hingga beberapa puluh attosekon, dan teknologi ini akan terus berkembang sepanjang masa.
Pergerakan elektron telah dapat diamati
Pulsa-pulsa attosekon, yang meraih nobel fisika 2023 ini, membuat kita dapat mengukur waktu yang diperlukan oleh elektron bergerak menjauh dari atom, dan untuk meneliti bagaimana waktu ini bergantung pada kekuatan ikatan elektron tersebut terhadap inti atomnya. Kita dapat merekonstruksi bagaimana distribusi osilasi elektron dari sisi ke sisi atau dari tempat ke tempat dalam molekul-molekul dan material; yang sebelumnya posisi-posisi ini hanya dapat diukur dalam bentuk rata-rata.
Pulsa attosekon dapat digunakan untuk menguji proses internal materi, dan mengidentifikasi peristiwa-peristiwa yang berbeda-beda di dalamnya. Pulsa-pulsa ini telah digunakan untuk mengeksplorasi detail fisika atom dan molekul, dan memiliki penerapan potensial dalam bidang elektronika hingga obat-obatan.
Sebagai contoh, pulsa-pulsa attosekon dapat digunakan untuk mendorong molekul yang memancarkan sebuah sinyal yang dapat diukur. Sinyal dari molekul tersebut memiliki sebuah struktur tertentu, sejenis sidik jari yang mengungkap tentang jati diri molekul tersebut dan aplikasi yang mungkin terhadap proses ini adalah dalam bidang diagnosis medis.
Sumber: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/popular-information/
