Merekayasa Aliran Cahaya

Struktur baru yang diperlihatkan dalam ilustrasi dirancang untuk melakukan satu hal:mengubah bentuk cahaya saat diangkut. Dalam makalah baru-baru ini, Profesor Mercedeh Khajavikhan dan timnya menunjukkan bagaimana hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan model teoretis baru yang dapat memiliki implikasi mendalam bagi banyak aspek kehidupan kita.

Cahaya dapat dihasilkan oleh laser untuk pencitraan dan penginderaan, dijalankan melalui kabel serat optik untuk komunikasi tingkat lanjut, dan dibangun ke dalam chip untuk meningkatkan kemampuan komputasi ke tingkat yang tidak dapat diimpikan oleh generasi sebelumnya. Meskipun masing-masing kemajuan ini mungkin telah berakhir dengan perangkat baru yang dibuat oleh insinyur mekanik, astronot, biomedis, atau komputer, mereka memulainya di bidang fotonik.

Partikel cahaya cenderung bergerak sebagai gelombang, dan fotonik adalah ilmu memanfaatkan gelombang tersebut. Dari eksperimen mutakhir komunikasi kuantum dengan foton terjerat, hingga teknologi sehari-hari seperti layar ponsel cerdas, LiDAR, dan internet serat, fotonik telah mengubah hidup kita lebih dari yang disadari kebanyakan orang. Dan meskipun bidang ini telah ada selama lebih dari satu abad, para peneliti masih mendorong ke batas baru.

Salah satu perbatasan ini disebut fotonik topologi. Ini menggabungkan fotonik tradisional dengan fisika topologi - bidang yang dipelopori sebagian oleh pemenang Hadiah Nobel dan mantan Profesor USC Duncan Haldane. Fisika topologi - studi matematis tentang bentuk dan pengaturannya di ruang angkasa - telah digunakan untuk menjelaskan banyak sifat menarik dalam elektronik dan telah mengarah pada pengembangan beberapa bahan dan perangkat baru. Sekarang, dengan menggabungkan fisika topologi dan fotonik, para peneliti dapat merekayasa struktur cahaya yang lebih kreatif dan belum pernah dilihat sebelumnya.

Jadi, apa yang istimewa dari struktur baru ini dan bagaimana mereka membangunnya? Tim pertama-tama menggunakan fisika topologi untuk menghasilkan desain yang ingin mereka jelajahi. Mereka kemudian menjalankan simulasi untuk memahami bagaimana elemen-elemen dalam struktur harus berinteraksi satu sama lain. Selanjutnya, mereka mendesain sel individu — blok bangunan kecil yang membentuk keseluruhan struktur. Setelah desain sel selesai, mereka harus memutuskan bagaimana mereka harus diatur bersama untuk membentuk struktur. Akhirnya, desain dibawa ke ruang bersih fabrikasi nano tempat produk fisik — berukuran kurang dari 0,25 milimeter persegi — dibangun. Yang tersisa dari kita adalah struktur yang benar-benar unik yang membentuk cahaya menjadi bentuk baru ketika cahaya itu mengalir. Bentuk baru ini, pada gilirannya, memiliki kualitas baru, seperti kemurnian penguat yang lebih baik dan efisiensi yang lebih tinggi.

Meski mengesankan, Khajavikhan dan timnya memutuskan untuk melangkah lebih jauh. Dan di sinilah kombinasi fisika dan fotonik benar-benar berperan. Bahan topologi dapat menunjukkan sifat transportasi baru yang menakjubkan, tetapi mereka tidak dapat dengan mudah beralih antara keadaan "hidup" dan "mati". Pikirkan tentang struktur ringan ini seperti mobil balap canggih. Mereka dapat bergerak lebih cepat, berbelok lebih keras, dan melakukan lebih dari pesaing mereka. Namun, jika Anda tidak pernah bisa mematikan mobil setelah menyalakan mesin, itu bukanlah mesin yang sangat praktis.

Itulah yang dapat dilakukan tim USC — mengontrol cahaya baru ini. Mereka memperkenalkan teknik dari sistem fotonik yang disebut "pemompaan optik" untuk memberikan sifat topologi struktur kemampuan untuk menghidupkan dan mematikan. Kemampuan untuk mengontrol tidak hanya bentuk cahaya, tetapi juga kapan dan bagaimana cahaya itu mengalir melalui sistem adalah yang paling penting.

Bagi para peneliti, pekerjaan pada struktur baru ini hanyalah permulaan. “Temuan kami membuka jalan yang benar-benar baru untuk mempelajari sistem topologi dan kami berencana untuk merancang lebih banyak desain yang dapat mengubah wajah seluruh industri seperti layar holografik dan laser berdaya tinggi,” kata Khajavikhan.