Revolusi Transportasi Cahaya: Model Baru Membuka Jalan untuk Optik Canggih
Struktur baru yang ditunjukkan dalam ilustrasi dirancang untuk melakukan satu hal: mengubah bentuk cahaya saat diangkut. Dalam makalah terbaru, Profesor Mercedeh Khajavikhan dan timnya menunjukkan bagaimana ini dapat dilakukan dengan menggunakan model teoretis baru yang dapat memiliki implikasi yang mendalam untuk banyak aspek kehidupan kita.
Cahaya dapat dihasilkan oleh laser untuk imaging dan sensori, dijalankan melalui kabel serat optik untuk komunikasi canggih, dan dibangun ke dalam chip untuk meningkatkan kemampuan komputasi ke tingkat yang generasi sebelumnya tidak dapat mimpi. Meskipun setiap kemajuan ini mungkin berakhir dengan perangkat baru yang dibangun oleh insinyur mekanik, astronotika, biomedis, atau komputer, mereka dimulai dalam fotonik.
Partikel cahaya cenderung bergerak sebagai gelombang, dan fotonik adalah ilmu tentang memanfaatkan gelombang tersebut. Dari eksperimen terbaru komunikasi kuantum dengan foton terpaut, hingga teknologi sehari-hari seperti layar ponsel pintar, LiDAR, dan internet serat, fotonik telah mengubah kehidupan kita lebih dari yang sebagian besar orang sadari. Dan meskipun bidang ini telah ada selama lebih dari satu abad, peneliti masih mendorong ke batas baru.
Salah satu batas baru ini disebut fotonik topologis. Ini menggabungkan fotonik tradisional dengan fisika topologis — bidang yang dipioneer oleh pemenang Hadiah Nobel dan mantan Profesor USC Duncan Haldane. Fisika topologis — studi matematis tentang bentuk dan pengaturan mereka di ruang — telah digunakan untuk menjelaskan banyak properti menarik dalam elektronik dan telah mengarah pada pengembangan beberapa bahan dan perangkat baru. Sekarang, dengan menggabungkan fisika topologis dan fotonik, peneliti dapat merancang struktur cahaya yang lebih kreatif dan belum pernah terlihat sebelumnya.
Jadi, apa yang begitu istimewa dari struktur baru ini dan bagaimana mereka membangunnya? Tim pertama menggunakan fisika topologis untuk mencari desain yang ingin mereka jelajahi. Mereka kemudian menjalankan simulasi untuk memahami bagaimana elemen dalam struktur harus berinteraksi satu sama lain. Selanjutnya, mereka merancang sel individual — blok bangunan kecil yang membentuk seluruh struktur. Setelah desain sel selesai, mereka harus memutuskan bagaimana sel-sel tersebut harus disatukan untuk membentuk struktur. Akhirnya, desain diambil ke ruang bersih nano-fabrikasi di mana produk fisik — berukuran kurang dari 0,25 milimeter persegi — dibangun. Yang kita dapatkan adalah struktur yang benar-benar unik yang membentuk cahaya ke dalam bentuk baru saat mengalir melalui. Bentuk baru ini, pada gilirannya, memiliki kualitas baru, seperti kemurnian laser yang lebih baik dan efisiensi yang lebih tinggi.
Sebagaimana mengesankan, Khajavikhan dan timnya memutuskan untuk pergi lebih jauh. Dan inilah tempat kombinasi fisika dan fotonik benar-benar masuk peran. Bahan topologis dapat menunjukkan properti transportasi yang luar biasa, tetapi tidak dapat dengan mudah dialihkan antara keadaan "nyala" dan "mati". Pikirkan struktur cahaya ini seperti mobil balap tingkat tinggi. Mereka dapat bergerak lebih cepat, belok lebih tajam, dan melakukan lebih dari pesaing mereka. Namun jika Anda tidak dapat mematikan mobil setelah Anda menyalakan mesin, itu bukan mesin yang sangat praktis.
Itulah yang dilakukan tim USC — mengontrol cahaya baru ini. Mereka memperkenalkan teknik dari sistem fotonik yang disebut "optical pumping" untuk memberikan properti topologis dari struktur kemampuan untuk dinyalakan dan dimatikan. Kemampuan untuk mengontrol tidak hanya bentuk cahaya, tetapi kapan dan bagaimana ia mengalir melalui sistem adalah sangat penting.
Untuk peneliti, pekerjaan pada struktur baru ini baru dimulai. "Temuan kami membuka jalan yang sepenuhnya baru untuk mempelajari sistem topologis dan kami berencana untuk merancang lebih banyak desain yang dapat mengubah wajah sejumlah besar industri seperti layar hologram dan laser daya tinggi," kata Khajavikhan.
