Membuka Kunci Presisi: Mengukur dengan Sisir Bergerigi Halus
Bagi banyak orang, pengukuran terdengar biasa, seperti memberi tanda pada penggaris atau membaca garis pada termometer. Ini adalah satu potongan data. Dan mereka cenderung berpikir bahwa pengukuran yang lebih baik terlihat seperti tanda yang semakin halus pada penggaris. Tetapi membuat pengukuran baru lebih dari sekadar memberi tanda yang lebih halus pada penggaris. Untuk mengukur sesuatu adalah untuk memahaminya, meredamnya dan melihat bagaimana cara kerjanya. Pengukuran baru dapat membuka kemungkinan yang bahkan tidak pernah diinginkan oleh ilmuwan saat memulai. Mungkin tidak ada contoh yang lebih baik dari sisir frekuensi optik. Secara sederhana, perangkat ini adalah penggaris untuk cahaya. Namun ini jauh lebih dari sekadar penggaris.
Gelombang radio, gelombang mikro, cahaya terlihat, sinar X, dan inframerah adalah semua bagian dari spektrum frekuensi elektromagnetik. Mereka semua adalah gelombang, bergerak dengan kecepatan cahaya, tetapi jarak antara puncak gelombang tersebut bisa berjarak kilometer, seperti beberapa gelombang radio, atau berjarak nanometer, seperti cahaya terlihat dan ultraviolet.
Pada tahun 1970, ilmuwan di Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST) berada dalam situasi sulit. Mereka ingin jam atom yang lebih presisi dan akurat, yang didasarkan pada frekuensi optik sangat tinggi cahaya yang dilepaskan oleh atom saat elektron mereka melompat antara kondisi energi, berbanding dengan frekuensi mikro yang lebih rendah yang mereka gunakan. Jam yang lebih baik akan memberikan definisi yang lebih presisi dari detik. Definisi detik yang lebih presisi akan memberikan definisi yang lebih baik dari meter, yang merupakan jarak yang ditempuh cahaya dalam vakum dalam fraksi waktu yang sangat kecil. Namun semua itu bergantung pada kemampuan untuk mengukur frekuensi cahaya ini dengan akurat dan presisi.
Ada celah dalam pengukuran antara kedua ujung spektrum elektromagnetik. Ilmuwan dapat mengukur frekuensi radio dan mikro dengan akurat, tetapi tidak ada elektronik yang dapat menghitung cukup cepat untuk mengejar frekuensi optik atom. Mereka dapat menggunakan laser dengan frekuensi yang cocok untuk membaca frekuensi optik atom. Ilmuwan memiliki laser dengan frekuensi yang diketahui dan tepat, tetapi mereka hanya dapat menghasilkan satu frekuensi atau warna. Tanpa mengetahui frekuensi atom yang tepat, menemukan laser frekuensi yang tepat untuk membaca atom akan membutuhkan banyak percobaan dan kesalahan. Ilmuwan NIST mencoba merangkaikan beberapa laser dengan frekuensi berbeda bersama-sama untuk membuat penggaris optik sederhana. Itu cukup baik untuk mendefinisikan ulang meter tetapi bukan solusi jangka panjang.
Muncul sisir frekuensi, perangkat yang memenangkan Hadiah Nobel, dan hasil dari dekade penelitian dari NIST dan lainnya. Sisir menghasilkan miliar pulsa cahaya per detik, yang memantul bolak-balik di dalam rongga optik. Ini menciptakan jutaan puncak frekuensi optik yang terlihat seperti gigi berwarna pelangi pada sisir (dari sini nama tersebut). Gigi pertama pada sisir tersebut diatur ke frekuensi yang diketahui, yang memberi ilmuwan titik awal untuk membaca frekuensi lainnya. Mirip dengan penggaris, jika Anda tahu penanda pertama adalah satu milimeter dan setiap penanda berjarak satu milimeter, Anda dapat dengan mudah mulai mengukur. Demikian pula, karena mereka tahu dengan tepat seberapa jauh frekuensi ini berjarak, ilmuwan dapat menerjemahkan sinyal optik ini ke mikro dengan rumus matematika sederhana, menghubungkan kedua ujung spektrum elektromagnetik. Ini membuka banyak pintu penelitian.
Ilmuwan menggunakan teknologi baru ini untuk membuat jam yang lebih baik, akhirnya mengembangkan jam yang 100 kali lebih baik dari jam cesium yang digunakan untuk standar waktu sipil. Jam yang lebih akurat dan presisi sangat penting untuk navigasi GPS, yang bergantung pada sinyal waktu yang presisi untuk menentukan lokasi Anda. Jam yang lebih baik juga memiliki keuntungan penelitian, dari mendeteksi perubahan kecil dalam gravitasi hingga mempelajari fenomena dunia kuantum dan mungkin menemukan materi gelap. Jam ini mungkin akhirnya mengubah cara kita mendefinisikan detik.
Semua atom dan molekul memancarkan frekuensi cahaya unik saat mereka melompat antara kondisi energi, bukan hanya atom yang digunakan dalam jam. Jika salah satu frekuensi dari sisir mengenai atom atau molekul dengan frekuensi yang sama persis, ilmuwan dapat mengidentifikasi jenis atom atau molekul yang mereka temukan. Dengan menggunakan sisir frekuensi optik, ilmuwan dapat mempelajari komposisi bintang dengan detail yang mengesankan. Astrofisikawan dapat mengetahui apakah mereka telah menemukan planet baru dengan mengukur perubahan frekuensi cahaya bintang. Dengan menggunakan sisir frekuensi, kita dapat meningkatkan sistem pencahayaan cahaya, yang memantulkan cahaya dari objek untuk mendeteksi mereka seperti radar atau sonar. Mereka dapat melihat objek melalui nyala api, membantu ilmuwan NIST mempelajari bagaimana struktur gagal selama kebakaran. Sisir juga digunakan untuk mendeteksi bahkan jumlah gas rumah kaca yang paling sedikit di udara atau mencari penyakit dalam napas manusia.
