Cahaya tidak memantul begitu saja. Ia dapat dibentuk ulang, dijebak, dan dimanipulasi dalam skala waktu yang terasa seperti selamanya bagi komputer, namun hanya sekejap bagi alam semesta. Para peneliti kini telah mendemonstrasikan kristal waktu fotonik pertama di dunia.
Ini bukan fiksi ilmiah. Itu fisika, dieksekusi dengan presisi yang mengerikan.
Studi yang dipublikasikan di Nature ini merinci sistem optik di mana interaksi materi cahaya didorong ke wilayah terahertz yang belum dipetakan. Dengan mengubah properti optik dalam hitungan pikodetik—sepermiliar miliar detik—tim ini telah membuka pintu menuju komputasi optik ultracepat.
Ini bukan tentang membuat CPU lebih cepat. Ini tentang mengendalikan perilaku mendasar foton dengan cara yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan.
Menjembatani Kesenjangan Terahertz
Komponen elektronik menabrak dinding. Pada frekuensi tinggi, mereka tertinggal. Foton lebih cepat, namun memanipulasinya dalam rentang terahertz telah lama menjadi hal yang paling penting dalam fisika optik.
“Kisaran THz mewakili batas antara teknologi fotonik elektronik… Kisaran ini penuh dengan peluang… namun masih belum dikembangkan.”
— Yannis Laplace, Politeknik École
Frekuensi terahertz berada di antara gelombang mikro dan inframerah. Ini 1.000 kali lebih cepat dibandingkan sinyal elektronik standar. Di sinilah materi mengungkap rahasianya. Namun hingga saat ini, kami kekurangan alat untuk mengontrol cahaya secara efektif di zona ini.
Solusinya? Materi yang berubah tidak hanya dalam ruang, tetapi juga dalam waktu.
Dari Kisi Statis ke Kristal Dinamis
Kristal fotonik konvensional adalah material berstrukturnano dengan pola berulang. Seperti kisi semikonduktor yang mengontrol elektron, struktur ini mengontrol foton. Anda mengatur geometrinya, Anda mendapatkan hasilnya. Setelah dibangun, aturannya ditetapkan.
Pergeseran suhu. Medan magnet. Perubahan kecil. Namun strukturnya sendiri masih statis.
Pendekatan baru ini mematahkan pola tersebut.
Kristal waktu fotonik tidak hanya membentuk cahaya secara spasial. Ini membentuknya untuk sementara. Sifat optiknya—reflektivitas, resonansi—berubah dengan cepat dalam hitungan pikodetik. Perilaku material berosilasi pada frekuensi yang sama dengan frekuensi cahaya itu sendiri.
Ini adalah dimensi kontrol yang baru.
“Dengan memperluas kristal fotonik dari ruang-waktu, kami membuka jalur baru menuju amplifikasi dan penguat,” kata Tingwen Guo, penulis utama dan mahasiswa PhD di École Polytechnique. “Itu bisa menjadi pengubah keadaan.”
Mimpi Buruk Rekayasa
Membangun ini memerlukan perangkat yang sangat spesifik, sangat rumit, hingga hampir tidak masuk akal.
Tim—yang mencakup École Polytechnique, Collège deFrance, dan Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf (HZDR)—membuat metamaterial plasmonik. Ini rumit.
- Pola Emas: Struktur crenelated berskala mikrometer.
- Substrat: Lapisan isolasi di atas semikonduktor indium-antimon.
- Perangkap: Emas membentuk rongga yang membatasi foton.
Ketika permukaan semikonduktor tereksitasi, elektron bergerak sebagai gelombang kolektif. Ini adalah plasmon permukaan. Mereka menangkap cahaya. Mereka menahannya.
Namun menahannya saja tidak cukup. Anda perlu mengubahnya. Cepat.
Memberi Makan Binatang dengan TELBE
Anda tidak dapat menguji perubahan pikodetik dengan senter.
Para peneliti membutuhkan pulsa medan tinggi dan fase stabil. Mereka menemukannya di TELBE, sumber terahertz superkonduktor di fasilitas akselerator ELBE HZDR.
Mereka meledakkan metamaterial tersebut dengan pulsa laser terahertz. Hasilnya langsung terlihat. Reflektivitas material berubah secara dramatis. Dampaknya sangat besar. Waktunya sangat cepat.
“Kemampuan unik TELBE…sangat penting,” kata Jan-Christoph Deinert, koordinator TELBE. “Tanpa infrastruktur ini, mencapai modulasi ultracepat yang koheren… tidak mungkin terjadi.”
Kehilangan Lebih Sedikit Cahaya
Di sinilah fisika menjadi menarik.
Biasanya, foton diserap. Mereka berpencar. Mereka menghilang dalam panas. Dalam metamaterial standar, efisiensi adalah pertarungan terus-menerus.
Dalam rezim kristal waktu fotonik, disipasi turun setengahnya.
Lebih banyak foton yang terjebak. Lebih sedikit yang melewati kekalahan. Marco Schiró dari Collège de France mengkonfirmasi hasil tersebut dengan model teoretis yang sangat cocok dengan data eksperimen. Teori tersebut tidak hanya menjelaskan apa yang terjadi. Ini memberikan cetak biru untuk meningkatkannya.
“Teori ini tidak hanya mereproduksi eksperimen tetapi juga memberikan dasar untuk memandu penemuan di masa depan.”
Mengapa Ini Penting bagi Anda (Akhirnya)
Anda mungkin tidak akan membeli kamera terahertz besok. Namun dampaknya berdampak ke luar.
Komputasi optik lebih cepat. Telekomunikasi canggih. Laser yang dapat mengubah “warna” sendiri hampir seketika.
Langkah selanjutnya sederhana namun sulit: mengurangi kehilangan foton lebih lanjut. Perkuat sinyalnya. Jika para peneliti dapat menjebak cukup banyak foton, sistem tersebut akan menjadi sumber laser. Yang bisa disesuaikan. Salah satu yang dapat menyesuaikan properti sesuai permintaan.
Pencitraan medis? Komunikasi? Pemindaian keamanan? Rentang terahertz dapat menangani semuanya, lebih cepat dan lebih cerdas dibandingkan teknologi saat ini.
Kita tidak lagi sekedar membimbing cahaya. Kami memerintahkannya. Secara waktu nyata. Dalam pikodetik.
Kesenjangan antara elektronik dan foton semakin menipis. Dan itu terjadi dalam kegelapan.
